python 线程(队列,线程池),协程(理论greenlet,gevent模块,)

Posted 2020-12-26 又见芳踪

线程的队列:

queue队列,使用import queue,用法与进程Queue一样

queue is especially useful in threaded programming when information must be exchanged safely between multiple threads.

class queue.Queue(maxsize=0) #先进先出

import queue

q=queue.Queue()
q.put(\'first\')
q.put(\'second\')
q.put(\'third\')

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
\'\'\'
结果(先进先出):
first
second
third
\'\'\'

先进先出

class queue.LifoQueue(maxsize=0) #last in fisrt out

import queue

q=queue.LifoQueue()
q.put(\'first\')
q.put(\'second\')
q.put(\'third\')

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
\'\'\'
结果(后进先出):
third
second
first
\'\'\'

后进先出

class queue.PriorityQueue(maxsize=0) #存储数据时可设置优先级的队列　　

import queue

q=queue.PriorityQueue()
#put进入一个元组,元组的第一个元素是优先级(通常是数字,也可以是非数字之间的比较),数字越小优先级越高
q.put((20,\'a\'))
q.put((10,\'b\'))
q.put((30,\'c\'))

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
\'\'\'
结果(数字越小优先级越高,优先级高的优先出队):
(10, \'b\')
(20, \'a\')
(30, \'c\')
\'\'\'

优先级队列

线程池的问题:

#1 介绍
concurrent.futures模块提供了高度封装的异步调用接口
ThreadPoolExecutor：线程池，提供异步调用
ProcessPoolExecutor: 进程池，提供异步调用
Both implement the same interface, which is defined by the abstract Executor class.

#2 基本方法
#submit(fn, *args, **kwargs)
异步提交任务

#map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1) 
取代for循环submit的操作

#shutdown(wait=True) 
相当于进程池的pool.close()+pool.join()操作
wait=True，等待池内所有任务执行完毕回收完资源后才继续
wait=False，立即返回，并不会等待池内的任务执行完毕
但不管wait参数为何值，整个程序都会等到所有任务执行完毕
submit和map必须在shutdown之前

#result(timeout=None)
取得结果

#add_done_callback(fn)
回调函数

mport time
from threading import currentThread,get_ident
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor  # 帮助你启动线程池的类
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor  # 帮助你启动线程池的类

def func(i):
    time.sleep(1)
    print(\'in %s %s\'%(i,currentThread()))
    return i**2

def back(fn):
    print(fn.result(),currentThread())

# map启动多线程任务
# t = ThreadPoolExecutor(5)
# t.map(func,range(20))
# for i in range(20):
#     t.submit(func,i)

# submit异步提交任务
# t = ThreadPoolExecutor(5)
# for i in range(20):
#     t.submit(fn=func,)
# t.shutdown()
# print(\'main : \',currentThread())
# 起多少个线程池
    # 5*CPU的个数

# 获取任务结果
# t = ThreadPoolExecutor(20)
# ret_l = []
# for i in range(20):
#     ret = t.submit(func,i)
#     ret_l.append(ret)
# t.shutdown()
# for ret in ret_l:
#     print(ret.result())
# print(\'main : \',currentThread())

# 回调函数
t = ThreadPoolExecutor(20)
for i in range(100):
    t.submit(func,i).add_done_callback(back)

# 回调函数(进程版)
import os
import time
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor  # 帮助你启动线程池的类

def func(i):
    time.sleep(1)
    print(\'in %s %s\'%(i,os.getpid()))
    return i**2

def back(fn):
    print(fn.result(),os.getpid())
if __name__ == \'__main__\':
    print(\'main : \',os.getpid())
    t = ProcessPoolExecutor(20)
    for i in range(100):
        t.submit(func,i).add_done_callback(back)

multiprocessing模块自带进程池的
threading 模块是没有线程池的

concurrent.futures 进程池 和 线程池

创建线程池/进程池 ProcessPoolExecutor ThreadPoolExecutor

ret = t.submit(func,arg1,arg2...) 异步提交任务

ret.result() 获取结果,如果要想实现异步效果,应该使用列表

map(func,iterable)　

shutdown close+join 同步控制的

add_done_callback 回调函数,在回调函数内接收的参数是一个对象,需要通过result来获取返回值

　　回调函数仍然在主进程中执行

 

 

 

 

协程:

之前我们学习了线程、进程的概念，了解了在操作系统中进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。按道理来说我们已经算是把cpu的利用率提高很多了。但是我们知道无论是创建多进程还是创建多线程来解决问题，都要消耗一定的时间来创建进程、创建线程、以及管理他们之间的切换。

　　随着我们对于效率的追求不断提高，基于单线程来实现并发又成为一个新的课题，即只用一个主线程（很明显可利用的cpu只有一个）情况下实现并发。这样就可以节省创建线进程所消耗的时间。

　　为此我们需要先回顾下并发的本质：切换+保存状态

 　　cpu正在运行一个任务，会在两种情况下切走去执行其他的任务（切换由操作系统强制控制），一种情况是该任务发生了阻塞，另外一种情况是该任务计算的时间过长

　  　

　　ps：在介绍进程理论时，提及进程的三种执行状态，而线程才是执行单位，所以也可以将上图理解为线程的三种状态 

　　 一：其中第二种情况并不能提升效率，只是为了让cpu能够雨露均沾，实现看起来所有任务都被“同时”执行的效果，如果多个任务都是纯计算的，这种切换反而会降低效率。

　　为此我们可以基于yield来验证。yield本身就是一种在单线程下可以保存任务运行状态的方法，我们来简单复习一下：

#1 yiled可以保存状态，yield的状态保存与操作系统的保存线程状态很像，但是yield是代码级别控制的，更轻量级
#2 send可以把一个函数的结果传给另外一个函数，以此实现单线程内程序之间的切换

进程:资源分配的最小单位,班级

线程:cpu调度最小单位,人

什么是协程:能在一条线程的基础上,在多个任务之间互相切换

节省了线程开启的消耗

是从python代码级别调度的

　　　　正常的线程是cpu调度的最小单位

　　　　协程的调度并不是由操作系统来完成的

所学的协程:

# 你学过协程
# 在两个任务之间互相切换
# def func():
#     print(1)
#     x = yield \'aaa\'
#     print(x)
#     yield \'bbb\'
#
# g = func()
# print(next(g))
# print(g.send(\'****\'))

# 在多个函数之间互相切换的功能 - 协程
# def consumer():
#     while True:
#         x = yield
#         print(x)
# def producer():
#     g = consumer()
#     next(g)   # 预激
#     for i in range(10):
#         g.send(i)
# producer()

# yeild 只有程序之间的切换,没有重利用任何IO操作的时间

协程介绍

协程：是单线程下的并发，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。一句话说明什么是线程：协程是一种用户态的轻量级线程，即协程是由用户程序自己控制调度的。、

需要强调的是：

#1. python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度（如单线程遇到io或执行时间过长就会被迫交出cpu执行权限，切换其他线程运行）
#2. 单线程内开启协程，一旦遇到io，就会从应用程序级别（而非操作系统）控制切换，以此来提升效率（！！！非io操作的切换与效率无关）

对比操作系统控制线程的切换，用户在单线程内控制协程的切换

优点如下：

#1. 协程的切换开销更小，属于程序级别的切换，操作系统完全感知不到，因而更加轻量级
#2. 单线程内就可以实现并发的效果，最大限度地利用cpu

缺点如下：

#1. 协程的本质是单线程下，无法利用多核，可以是一个程序开启多个进程，每个进程内开启多个线程，每个线程内开启协程
#2. 协程指的是单个线程，因而一旦协程出现阻塞，将会阻塞整个线程

总结协程特点：

1. 必须在只有一个单线程里实现并发
2. 修改共享数据不需加锁
3. 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
4. 附加：一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程（如何实现检测IO，yield、greenlet都无法实现，就用到了gevent模块（select机制））

使用pip3 install greenlet来安装greenlet模块

greenlet:　

def eat():
#     print(\'吃\')
#     time.sleep(1)
#     g2.switch()  # 切换
#     print(\'吃完了\')
#     time.sleep(1)
#     g2.switch()
#
# def play():
#     print(\'玩儿\')
#     time.sleep(1)
#     g1.switch()
#     print(\'玩儿美了\')
#     time.sleep(1)
#
# g1 = greenlet(eat)
# g2 = greenlet(play)
# g1.switch()   # 切换

# 遇到IO就切换
# gevent    pip3 install gevent
# greenlet是gevent的底层
# gevent是基于greenlet实现的
# python代码在控制程序的切换

greenlet只是提供了一种比generator更加便捷的切换方式，当切到一个任务执行时如果遇到io，那就原地阻塞，仍然是没有解决遇到IO自动切换来提升效率的问题。

单线程里的这20个任务的代码通常会既有计算操作又有阻塞操作，我们完全可以在执行任务1时遇到阻塞，就利用阻塞的时间去执行任务2。。。。如此，才能提高效率，这就用到了Gevent模块。

比较:

#顺序执行
import time
def f1():
    res=1
    for i in range(100000000):
        res+=i

def f2():
    res=1
    for i in range(100000000):
        res*=i

start=time.time()
f1()
f2()
stop=time.time()
print(\'run time is %s\' %(stop-start)) #10.985628366470337

#切换
from greenlet import greenlet
import time
def f1():
    res=1
    for i in range(100000000):
        res+=i
        g2.switch()

def f2():
    res=1
    for i in range(100000000):
        res*=i
        g1.switch()

start=time.time()
g1=greenlet(f1)
g2=greenlet(f2)
g1.switch()
stop=time.time()
print(\'run time is %s\' %(stop-start)) # 52.763017892837524

效率对比

Gevent模块

安装：pip3 install gevent

Gevent 是一个第三方库，可以轻松通过gevent实现并发同步或异步编程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 Greenlet全部运行在主程序操作系统进程的内部，但它们被协作式地调度。

g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)创建一个协程对象g1，spawn括号内第一个参数是函数名，如eat，后面可以有多个参数，可以是位置实参或关键字实参，都是传给函数eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join() #等待g1结束

g2.join() #等待g2结束

#或者上述两步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value#拿到func1的返回值

用法介绍

import gevent
def eat(name):
    print(\'%s eat 1\' %name)
    gevent.sleep(2)
    print(\'%s eat 2\' %name)

def play(name):
    print(\'%s play 1\' %name)
    gevent.sleep(1)
    print(\'%s play 2\' %name)


g1=gevent.spawn(eat,\'egon\')
g2=gevent.spawn(play,name=\'egon\')
g1.join()
g2.join()
#或者gevent.joinall([g1,g2])
print(\'主\')

例：遇到io主动切换

例gevent.sleep(2)模拟的是gevent可以识别的io阻塞,而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码,打补丁,就可以识别了

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必须放到被打补丁者的前面，如time，socket模块之前

或者我们干脆记忆成：要用gevent，需要将from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的开头

# 使用协程减少IO操作带来的时间消耗
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
import time

def eat():
    print(\'吃\')
    time.sleep(2)
    print(\'吃完了\')

def play():
    print(\'玩儿\')
    time.sleep(1)
    print(\'玩儿美了\')

g1 = gevent.spawn(eat)
g2 = gevent.spawn(play)
gevent.joinall([g1,g2])
# g1.join()
# g2.join()
# 没执行
# 为什么没执行???是需要开启么?
# 没有开启但是切换了
    # gevent帮你做了切换,做切换是有条件的,遇到IO才切换
    # gevent不认识除了gevent这个模块内以外的IO操作
    # 使用join可以一直阻塞直到协程任务完成
# 帮助gevent来认识其他模块中的阻塞
    # from gevent import monkey;monkey.patch_all()写在其他模块导入之前

import threading
import gevent
import time
def eat():
    print(threading.current_thread().getName())
    print(\'eat food 1\')
    time.sleep(2)
    print(\'eat food 2\')

def play():
    print(threading.current_thread().getName())
    print(\'play 1\')
    time.sleep(1)
    print(\'play 2\')

g1=gevent.spawn(eat)
g2=gevent.spawn(play)
gevent.joinall([g1,g2])
print(\'主\')

查看threading.current_thread().getName()我们可以用threading.current_thread().getName()来查看每个g1和g2，查看的结果为DummyThread-n，即假线程

Gevent之同步与异步　　

from gevent import spawn,joinall,monkey;monkey.patch_all()

import time
def task(pid):
    """
    Some non-deterministic task
    """
    time.sleep(0.5)
    print(\'Task %s done\' % pid)


def synchronous():  # 同步
    for i in range(10):
        task(i)

def asynchronous(): # 异步
    g_l=[spawn(task,i) for i in range(10)]
    joinall(g_l)
    print(\'DONE\')
    
if __name__ == \'__main__\':
    print(\'Synchronous:\')
    synchronous()
    print(\'Asynchronous:\')
    asynchronous()
#  上面程序的重要部分是将task函数封装到Greenlet内部线程的gevent.spawn。
#  初始化的greenlet列表存放在数组threads中，此数组被传给gevent.joinall 函数，
#  后者阻塞当前流程，并执行所有给定的greenlet任务。执行流程只会在 所有greenlet执行完后才会继续向下走。

　协程来实现socket()

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import socket
import gevent
def talk(conn):
    while True:
        conn.send(b\'hello\')
        print(conn.recv(1024))

sk = socket.socket()
sk.bind((\'127.0.0.1\',9090))
sk.listen()
while True:
    conn,addr = sk.accept()
    gevent.spawn(talk,conn)


server

import  socket
from threading import Thread
def client():
    sk = socket.socket()
    sk.connect((\'127.0.0.1\',9090))
    while True:
        print(sk.recv(1024))
        sk.send(b\'bye\')

for i in range(500):
    Thread(target=client).start()

client

　　

# 4C 并发50000 qps
# 5个进程
# 20个线程
# 500个协程

 

协程: 能够在单核情况下 极大地提高cpu的利用率

　　不存在数据不安全的问题

　　也不存在线程切换\\创造的时间开销

　　切换时用户级别的,程序不会因为协程中某一个任务进入阻塞状态而使整个线程阻塞

线程的切换

　　时间片到了 降低cpu的效率

　　io会切 　　提高了cpu效率