Python学习笔记——进阶篇第八周———CPU运行原理与多线程

Posted 2020-07-24 Yared

Python之路,进程、线程、协程篇

 

本节内容

 

1. 进程、与线程区别
2. cpu运行原理
3. python GIL全局解释器锁
4. 线程
   1. 语法
   2. join
   3. 线程锁之Lock\\Rlock\\信号量
   4. 将线程变为守护进程
   5. Event事件　
   6. queue队列
   7. 生产者消费者模型
   8. Queue队列
   9. 开发一个线程池
5. 进程
   1. 语法
   2. 进程间通讯
   3. 进程池　　

       

 

CPU运行原理与多线程

什么是线程(thread)？

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务

进程是容器，线程是真正执行的任务单元

进程与线程的区别？

1、线程共享进程的地址空间；进程有自己的地址空间。

2、线程可以访问进程中所有的数据，进程有自己独立的内存空间（进程有自己的父进程的数据段的副本）

3、进程有自己的父进程的数据段的副本。
4、线程可以在同一个进程的线程中进行相互控制，进程只能对子进程进行控制。
5、对主线程的更改（取消、优先级更改等）可能会影响进程的其他线程的行为；对父进程的更改不影响子进程。

Python GIL(Global Interpreter Lock)

无论你启多少个线程，你有多少个cpu, Python在执行的时候会淡定的在同一时刻只允许一个线程运行，擦。。。，那这还叫什么多线程呀？莫如此早的下结结论，听我现场讲。

首先需要明确的一点是GIL并不是Python的特性，它是在实现Python解析器(CPython)时所引入的一个 概念。就好比C++是一套语言（语法）标准，但是可以用不同的编译器来编译成可执行代码。有名的编译器例如GCC，INTEL C++，Visual C++等。Python也一样，同样一段代码可以通过CPython，PyPy，Psyco等不同的Python执行环境来执行。像其中的JPython 就没有GIL。然而因为CPython是大部分环境下默认的Python执行环境。所以在很多人的概念里CPython就是Python，也就想当然的把GIL归结为Python语言的缺陷。所以这里要先明确一点：GIL并不是Python的特性，Python完全可以不依赖于GIL

这篇文章透彻的剖析了GIL对python多线程的影响，强烈推荐看一下：http://www.dabeaz.com/python/UnderstandingGIL.pdf

 Python threading模块

线程有2种调用方式，如下：

直接调用

import threading
import time

def sayhi(num): #定义每个线程要运行的函数

    print("running on number:%s" %num)

    time.sleep(3)

if __name__ == \'__main__\':
    \'\'\'
    t1 = threading.Thread(target=sayhi,args=(1,)) #生成一个线程实例
    t2 = threading.Thread(target=sayhi,args=(2,)) #生成另一个线程实例

    t1.start() #启动线程
    t2.start() #启动另一个线程

    print(t1.getName()) #获取线程名
    print(t2.getName())
    t1.join()  # t1.wait(),join就是等待的意思，只要执行完就不阻塞
    t2.join()  #t2.wait(),join就是等待的意思\'\'\'
    t_list =[]
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=sayhi,args=[i,])
        t.start()
        t_list.append(t)
    for i in t_list:
        i.join
    print(\'--main--\')

 继承式调用

import threading
import time


class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self,num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num

    def run(self):#定义每个线程要运行的函数

        print("running on number:%s" %self.num)

        time.sleep(3)

if __name__ == \'__main__\':

    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()

 

Join & Daemon

(守护线程和join)

Daemon实例

import time
import threading

def run(n):

    print(\'[%s]------running----\\n\' % n)
    time.sleep(2)
    print(\'--done--\')

def main():
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=run,args=[i,])
        #time.sleep(1)
        t.start()
        #t.join(1)
        print(\'starting thread\', t.getName())


m = threading.Thread(target=main,args=[])
m.setDaemon(True) #将主线程设置为Daemon线程,它退出时,其它子线程会同时退出,不管是否执行完任务
m.start()
m.join(timeout=2) #等待2秒钟
print("---main thread done----")

#什么情况下用到，批量登陆所有100台主机（其中有两台很慢），等待30秒，如果不行就强制退出，默认认为程序有问题，进行下一个任务

 

线程锁(互斥锁Mutex)

一个进程下可以启动多个线程，多个线程共享父进程的内存空间，也就意味着每个线程可以访问同一份数据，此时，如果2个线程同时要修改同一份数据，会出现什么状况？

import time
import threading
 
def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print(\'--get num:\',num )
    time.sleep(1)
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作
 
num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)
 
for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()
 
 
print(\'final num:\', num )

无锁

正常来讲，这个num结果应该是0， 但在python 2.7上多运行几次，会发现，最后打印出来的num结果不总是0，为什么每次运行的结果不一样呢？ 哈，很简单，假设你有A,B两个线程，此时都 要对num 进行减1操作， 由于2个线程是并发同时运行的，所以2个线程很有可能同时拿走了num=100这个初始变量交给cpu去运算，当A线程去处完的结果是99，但此时B线程 运算完的结果也是99，两个线程同时CPU运算的结果再赋值给num变量后，结果就都是99。那怎么办呢？ 很简单，每个线程在要修改公共数据时，为了避免自己在还没改完的时候别人也来修改此数据，可以给这个数据加一把锁， 这样其它线程想修改此数据时就必须等待你修改完毕并把锁释放掉后才能再访问此数据。 

*注：不要在3.x上运行，不知为什么，3.x上的结果总是正确的，可能是自动加了锁

import time
import threading
 
def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print(\'--get num:\',num )
    time.sleep(1)
    lock.acquire() #修改数据前加锁
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作
    lock.release() #修改后释放
 
num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
lock = threading.Lock() #生成全局锁
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)
 
for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()
 
print(\'final num:\', num )

加锁版本

 

实例演示：

import time
import threading

def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print(\'--get num:\',num )
    time.sleep(1)
    lock.acquire() #获取这把锁
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作
    lock.release() #释放这把锁

lock = threading.Lock() #定义一把锁
num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()

print(\'final num:\', num )

#100个线程同时运行，所以显示100个100
#这个锁跟GIL没关系

RLock（递归锁）

说白了就是在一个大锁中还要再包含子锁

import threading,time

def run1():
    print("grab the first part data")
    lock.acquire()
    global num
    num +=1
    lock.release()
    return num
def run2():
    print("grab the second part data")
    lock.acquire()
    global  num2
    num2+=1
    lock.release()
    return num2
def run3():
    lock.acquire()
    res = run1()
    print(\'--------between run1 and run2-----\')
    res2 = run2()
    lock.release()
    print(res,res2)


if __name__ == \'__main__\':

    num,num2 = 0,0
    lock = threading.RLock()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run3)
        t.start()

while threading.active_count() != 1:
    print(threading.active_count())
else:
    print(\'----all threads done---\')
    print(num,num2)

 

Semaphore(信号量)

互斥锁 同时只允许一个线程更改数据，而Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据 ，比如厕所有3个坑，那最多只允许3个人上厕所，后面的人只能等里面有人出来了才能再进去。

import threading,time

def run(n):
    semaphore.acquire()
    time.sleep(1)
    print("run the thread: %s\\n" %n)
    semaphore.release()

if __name__ == \'__main__\':

    num= 0
    semaphore  = threading.BoundedSemaphore(5) #最多允许5个线程同时运行
    for i in range(20):
        t = threading.Thread(target=run,args=(i,))
        t.start()

while threading.active_count() != 1:
    pass #print threading.active_count()
else:
    print(\'----all threads done---\')
    print(num)

 Events

通过Event来实现两个或多个线程间的交互，下面是一个红绿灯的例子，即起动一个线程做交通指挥灯，生成几个线程做车辆，车辆行驶按红灯停，绿灯行的规则。

import threading,time
import random
def light():
    if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #绿灯状态
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
            print(\'\\033[42;1m--green light on---\\033[0m\')
        elif count <13:
            print(\'\\033[43;1m--yellow light on---\\033[0m\')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
            print(\'\\033[41;1m--red light on---\\033[0m\')
        else:
            count = 0
            event.set() #打开绿灯
        time.sleep(1)
        count +=1
def car(n): #no bug version
    while 1:
        time.sleep(1)
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)
            event.wait()

def car2(n):
    while 1:
        time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)

if __name__ == \'__main__\':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

多进程multiprocessing

多进程

from multiprocessing import Process
import time
def f(name):
    time.sleep(2)
    print(\'hello\', name)

if __name__ == \'__main__\':
    p = Process(target=f, args=(\'bob\',))
    p2 = Process(target=f, args=(\'bob\',))
    p.start()
    p2.start()
    p.join()

 多进程ID

from multiprocessing import Process
import os

def info(title):
    print(title)
    print(\'module name:\', __name__)
    print(\'parent process:\', os.getppid())
    print(\'process id:\', os.getpid())
    print("\\n\\n")

def f(name):
    info(\'\\033[31;1mfunction f\\033[0m\')
    print(\'hello\', name)

if __name__ == \'__main__\':
    info(\'\\033[32;1mmain process line\\033[0m\')
    p = Process(target=f, args=(\'bob\',))
    p.start()
    p.join()

进程间通讯　　

不同进程间内存是不共享的，要想实现两个进程间的数据交换，可以用以下方法：

Queues

使用方法跟threading里的queue差不多

from multiprocessing import Process, Queue

def f(q):
    q.put([42, None, \'hello\'])
if __name__ == \'__main__\':
    que = Queue()
    p = Process(target=f, args=(que,))
    p2 = Process(target=f, args=(que,))
    p.start()
    p2.start()
    print(\'from parent:\',que.get())    # prints "[42, None, \'hello\']"
    print(\'from parent2:\', que.get())  # prints "[42, None, \'hello\']"
    p.join()

 Managers

from multiprocessing import Process, Manager

def f(d, l,n):
    d[n] = \'n\'
    d[\'2\'] = 2
    d[0.25] = None
    l.append(n)
    print(l)

if __name__ == \'__main__\':
    with Manager() as manager:
        d = manager.dict()
        l = manager.list(range(5))
        p_list = []
        for i in range(10):
            p = Process(target=f, args=(d, l,i))
            p.start()
            p_list.append(p)
        for res in p_list:
            res.join()

        print(d)
        print(l)
#进程的数据共享

 进程同步

 

from multiprocessing import Process, Lock

def f(l, i):
    l.acquire()
    try:
        print(\'hello world\', i)
    finally:
        l.release()

if __name__ == \'__main__\':
    lock = Lock()

    for num in range(10):
        Process(target=f, args=(lock, num)).start()

 

进程池　　

进程池内部维护一个进程序列，当使用时，则去进程池中获取一个进程，如果进程池序列中没有可供使用的进进程，那么程序就会等待，直到进程池中有可用进程为止。

进程池中有两个方法：

• apply
• apply_async

 

from  multiprocessing import Process,Pool,freeze_support
import time

def Foo(i):
    time.sleep(2)
    print(\'exec...\')
    return i+100

def Bar(arg):
    print(\'-->exec done:\',arg)


if __name__ == \'__main__\':
    freeze_support()  #windows中要加入这段
    pool = Pool(5)

    for i in range(10):
        pool.apply_async(func=Foo, args=(i,),callback=Bar)
        #pool.apply(func=Foo, args=(i,))

    print(\'end\')
    pool.close()
    pool.join()#进程池中进程执行完毕后再关闭，如果注释，那么程序直接关闭。

 

 

作业参考：http://www.cnblogs.com/wupeiqi/articles/5095821.html

详细可参考http://www.cnblogs.com/alex3714/articles/5230609.html