并发编程

Posted 2022-07-02 renvip

并发编程(一)    >>>思维导图>>>博客园

操作系统的作用

1：隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口

2：管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

多道技术

1.空间上的复用：多个赓续公用一套计算机硬件

2.时间上的复用：切换+保存状态

>1.当一个程序遇到IO操作
操作系统会剥夺该程序的cpu执行权限(提高了cpu的利用率 并且也不影响程序的执行效率)
>2.当一个程序长时间占用cpu
操作系统也会剥夺该程序的cpu执行权限(降低了程序的执行效率)
并发:看起来像同时运行的就可以
并行:真正意义上的同时执行
单核的计算机不能实现并行,但是可以实现并发

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单道程序工作示例

 

多道程序工作示例

进程

程序：一堆代码

进程：正在运行的程序

第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。
第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（操作系统执行之），它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。[3] 
进程是操作系统中最基本、重要的概念。是多道程序系统出现后，为了刻画系统内部出现的动态情况，描述系统内部各道程序的活动规律引进的一个概念,所有多道程序设计操作系统都建立在进程的基础上。

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进程的特征

动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

进程的调度

1.先来先服务调度算法

先来先服务（FCFS）调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。FCFS算法比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）。由此可知，本算法适合于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙型的作业（进程）。

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2.短作业优先调度算法

短作业（进程）优先调度算法（SJ/PF）是指对短作业或短进程优先调度的算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。但其对长作业不利；不能保证紧迫性作业（进程）被及时处理；作业的长短只是被估算出来的。

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3.时间片轮转法

时间片轮转(Round Robin，RR)法的基本思路是让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成比例。在时间片轮转法中，需要将CPU的处理时间分成固定大小的时间片，例如，几十毫秒至几百毫秒。如果一个进程在被调度选中之后用完了系统规定的时间片，但又未完成要求的任务，则它自行释放自己所占有的CPU而排到就绪队列的末尾，等待下一次调度。同时，进程调度程序又去调度当前就绪队列中的第一个进程。 显然，轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源。这些可以抢占的资源可以随时被剥夺，而且可以将它们再分配给别的进程。CPU是可抢占资源的一种。但打印机等资源是不可抢占的。由于作业调度是对除了CPU之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占资源，所以作业调度不使用轮转法。在轮转法中，时间片长度的选取非常重要。首先，时间片长度的选择会直接影响到系统的开销和响应时间。如果时间片长度过短，则调度程序抢占处理机的次数增多。这将使进程上下文切换次数也大大增加，从而加重系统开销。反过来，如果时间片长度选择过长，例如，一个时间片能保证就绪队列中所需执行时间最长的进程能执行完毕，则轮转法变成了先来先服务法。时间片长度的选择是根据系统对响应时间的要求和就绪队列中所允许最大的进程数来确定的。 在轮转法中，加入到就绪队列的进程有3种情况： 一种是分给它的时间片用完，但进程还未完成，回到就绪队列的末尾等待下次调度去继续执行。 另一种情况是分给该进程的时间片并未用完，只是因为请求I/O或由于进程的互斥与同步关系而被阻塞。当阻塞解除之后再回到就绪队列。 第三种情况就是新创建进程进入就绪队列。 如果对这些进程区别对待，给予不同的优先级和时间片从直观上看，可以进一步改善系统服务质量和效率。例如，我们可把就绪队列按照进程到达就绪队列的类型和进程被阻塞时的阻塞原因分成不同的就绪队列，每个队列按FCFS原则排列，各队列之间的进程享有不同的优先级，但同一队列内优先级相同。这样，当一个进程在执行完它的时间片之后，或从睡眠中被唤醒以及被创建之后，将进入不同的就绪队列。

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4.多级反馈队列

前面介绍的各种用作进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程，而且如果并未指明进程的长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用。而多级反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。在采用多级反馈队列调度算法的系统中，调度算法的实施过程如下所述。(1) 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。(2) 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。(3) 仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。

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进程的并发与并行

并行： 并行是指两者同时执行（资源够用，比如三个线程，四核的CPU ）
并发：并发是指资源有限的情况下，两者交替轮流使用资源
区别
并行是从微观上，也就是在一个精确的时间片刻，有不同的程序在执行，这就要求必须有多个处理器
并发是从宏观上，在一个时间段上可以看出是同时执行的，比如一个服务器同时处理多个session

同步异步阻塞非阻塞

进程的三种状态

(1)就绪(Ready)状态当进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可立即执行，这时的进程状态称为就绪状态。
(2)执行/运行(Running)状态当进程已获得处理机，其程序正在处理机上执行，此时的进程状态称为执行状态。
(3)阻塞(Blocked)状态正在执行的进程，由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待I/O完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。

同步:任务提交之后 原地等待的任务的执行并拿到返回结果才走 期间不做任何事(程序层面的表现就是卡住了)

异步:任务提交之后 不再原地等待 而是继续执行下一行代码(结果是要的  但是是用过其他方式获取)

强调:同步异步 阻塞非阻塞是两对概念 不能混为一谈

进程的创建与结束

创建进程的两种方式

第一种方式

from multiprocessing import Process
import time
 
def test(name):
    print(‘%s is running‘%name)
    time.sleep(3)
    print(‘%s is over‘%name)
 
if __name__ == ‘__main__‘:
    p = Process(target=test,args=(‘egon‘,))  # 创建一个进程对象
    p.start()  # 告诉操作系统帮你创建一个进程
    print(‘主‘)

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第二种方式

from multiprocessing import Process
import time
 
class MyProcess(Process):
    def __init__(self,name):
        super().__init__()
        self.name = name
 
    def run(self):
        print(‘%s is running‘ % self.name)
        time.sleep(3)
        print(‘%s is over‘ % self.name)
 
if __name__ == ‘__main__‘:
    p = MyProcess(‘egon‘)
    p.start()
    print(‘主‘)

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windows创建进程会将代码以模块的方式 从上往下执行一遍
linux会直接将代码完完整整的拷贝一份
windows创建进程一定要在if __name__ == ‘__main__‘:代码块内创建  否则报错
创建进程就是在内存中重新开辟一块内存空间，将允许产生的代码丢进去，一个进程对应在内存就是一块独立的内存空间
进程与进程之间数据是隔离的 无法直接交互，但是可以通过某些技术实现间接交互

进程的结束

1. 正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）
2. 出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）
3. 严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...）
4. 被其他进程杀死（非自愿，如kill -9）

在python程序中的进程操作

multiprocess

multiprocess不是一个模块而是python中一个操作、管理进程的包

仔细说来，multiprocess不是一个模块而是python中一个操作、管理进程的包。 之所以叫multi是取自multiple的多功能的意思,在这个包中几乎包含了和进程有关的所有子模块。由于提供的子模块非常多，为了方便大家归类记忆，我将这部分大致分为四个部分：创建进程部分，进程同步部分，进程池部分，进程之间数据共享。

process模块

process模块是一个创建进程的模块，借助这个模块，就可以完成进程的创建。

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])，由该类实例化得到的对象，表示一个子进程中的任务（尚未启动）
强调：
1. 需要使用关键字的方式来指定参数
2. args指定的为传给target函数的位置参数，是一个元组形式，必须有逗号
参数介绍：
1 group参数未使用，值始终为None
2 target表示调用对象，即子进程要执行的任务
3 args表示调用对象的位置参数元组，args=(1,2,‘egon‘,)
4 kwargs表示调用对象的字典,kwargs=‘name‘:‘egon‘,‘age‘:18
5 name为子进程的名称

方法介绍

1 p.start()：启动进程，并调用该子进程中的p.run() 
2 p.run():进程启动时运行的方法，正是它去调用target指定的函数，我们自定义类的类中一定要实现该方法  
3 p.terminate():强制终止进程p，不会进行任何清理操作，如果p创建了子进程，该子进程就成了僵尸进程，使用该方法需要特别小心这种情况。如果p还保存了一个锁那么也将不会被释放，进而导致死锁
4 p.is_alive():如果p仍然运行，返回True
5 p.join([timeout]):主线程等待p终止（强调：是主线程处于等的状态，而p是处于运行的状态）。timeout是可选的超时时间，需要强调的是，p.join只能join住start开启的进程，而不能join住run开启的进程

在windows中使用process模块的注意事项

在Windows操作系统中由于没有fork(linux操作系统中创建进程的机制)，在创建子进程的时候会自动 import 启动它的这个文件，而在 import 的时候又执行了整个文件。因此如果将process()直接写在文件中就会无限递归创建子进程报错。所以必须把创建子进程的部分使用if __name__ ==‘__main__’ 判断保护起来，import 的时候  ，就不会递归运行了。

开启子进程

import time
from multiprocessing import Process
def f(name):
    print(‘hello‘, name)
    print(‘我是子进程‘)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p = Process(target=f, args=(‘bob‘,))
    p.start()
    time.sleep(1)
    print(‘执行主进程的内容了‘)

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join方法

import time
from multiprocessing import Process
def f(name):
    print(‘hello‘, name)
    time.sleep(1)
    print(‘我是子进程‘)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p = Process(target=f, args=(‘bob‘,))
    p.start()
    # p.join()
    print(‘我是父进程‘)

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查看主进程和子进程的进程号

import os
from multiprocessing import Process
def f(x):
    print(‘子进程id ：‘,os.getpid(),‘父进程id ：‘,os.getppid())
    return x*x
if __name__ == ‘__main__‘:
    print(‘主进程id ：‘, os.getpid())
    p_lst = []
    for i in range(5):
        p = Process(target=f, args=(i,))
        p.start()

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多个进程同时运行

import time
from multiprocessing import Process
def f(name):
    print(‘hello‘, name)
    time.sleep(1)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p_lst = []
    for i in range(5):
        p = Process(target=f, args=(‘bob‘,))
        p.start()
        p_lst.append(p)

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多个进程同时运行，再谈join方法(1)

import time
from multiprocessing import Process
def f(name):
    print(‘hello‘, name)
    time.sleep(1)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p_lst = []
    for i in range(5):
        p = Process(target=f, args=(‘bob‘,))
        p.start()
        p_lst.append(p)
        p.join()
    # [p.join() for p in p_lst]
    print(‘父进程在执行‘)

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多个进程同时运行，再谈join方法(2)

import time
from multiprocessing import Process
def f(name):
    print(‘hello‘, name)
    time.sleep(1)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p_lst = []
    for i in range(5):
        p = Process(target=f, args=(‘bob‘,))
        p.start()
        p_lst.append(p)
    # [p.join() for p in p_lst]
    print(‘父进程在执行‘)

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以继承Process类的形式开启进程

import os
from multiprocessing import Process
class MyProcess(Process):
    def __init__(self,name):
        super().__init__()
        self.name=name
    def run(self):
        print(os.getpid())
        print(‘%s 正在和女主播聊天‘ %self.name)
p1=MyProcess(‘wupeiqi‘)
p2=MyProcess(‘yuanhao‘)
p3=MyProcess(‘nezha‘)
p1.start()  # start会自动调用run
p2.start()
# p2.run()
p3.start()
p1.join()
p2.join()
p3.join()
print(‘主线程‘)

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进程之间的数据隔离问题

from multiprocessing import Process
def work():
    global n
    n=0
    print(‘子进程内: ‘,n)
if __name__ == ‘__main__‘:
    n = 100
    p=Process(target=work)
    p.start()
    print(‘主进程内: ‘,n)

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守护进程

主进程创建守护进程

会随着主进程的结束而结束。
主进程创建守护进程
　　其一：守护进程会在主进程代码执行结束后就终止
　　其二：守护进程内无法再开启子进程,否则抛出异常：AssertionError: daemonic processes are not allowed to have children
注意：进程之间是互相独立的，主进程代码运行结束，守护进程随即终止

守护进程的启动

import os
import time
from multiprocessing import Process
class Myprocess(Process):
    def __init__(self,person):
        super().__init__()
        self.person = person
    def run(self):
        print(os.getpid(),self.name)
        print(‘%s正在和女主播聊天‘ %self.person)
p=Myprocess(‘哪吒‘)
p.daemon=True  # 一定要在p.start()前设置,设置p为守护进程,禁止p创建子进程,并且父进程代码执行结束,p即终止运行
p.start()
time.sleep(10) # 在sleep时查看进程id对应的进程ps -ef|grep id
print(‘主‘)

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主进程代码执行结束守护进程立即结束

from multiprocessing import Process
def foo():
    print(123)
    time.sleep(1)
    print("end123")
def bar():
    print(456)
    time.sleep(3)
    print("end456")
p1=Process(target=foo)
p2=Process(target=bar)
p1.daemon=True
p1.start()
p2.start()
time.sleep(0.1)
print("main-------")# 打印该行则主进程代码结束,则守护进程p1应该被终止.# 可能会有p1任务执行的打印信息123,因为主进程打印main----时,p1也执行了,但是随即被终止.

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案例

from multiprocessing import Process
import time
def test(name):
    print(‘%s总管正常活着‘%name)
    time.sleep(3)
    print(‘%s总管正常死亡‘%name)
if __name__ == ‘__main__‘:
    p = Process(target=test,args=(‘egon‘,))
    p.daemon = True  # 将该进程设置为守护进程   这一句话必须放在start语句之前 否则报错
    p.start()
    time.sleep(0.1)
    print(‘皇帝jason寿正终寝‘)

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僵尸进程与孤儿进程

僵尸进程

父进程回收子进程资源的两种方式
    1.join方法
    2.父进程正常死亡
所有的进程都会步入僵尸进程

孤儿进程

子进程没死 父进程意外死亡
针对linux会有儿童福利院(init) 如果父进程意外死亡他所创建的子进程都会被福利院收养

互斥锁

当多个进程操作同一份数据的时候 会造成数据的错乱
这个时候必须加锁处理
    将并发变成串行
        虽然降低了效率但是提高了数据的安全
    注意:
        1.锁不要轻易使用 容易造成死锁现象
        2.只在处理数据的部分加锁 不要在全局加锁
锁必须在主进程中产生 交给子进程去使用

案例：抢票

from multiprocessing import Process,Lock
import time
import json
# 查票
def search(i):
    with open(‘data‘,‘r‘,encoding=‘utf-8‘) as f:
        data = f.read()
    t_d = json.loads(data)
    print(‘用户%s查询余票为:%s‘%(i,t_d.get(‘ticket‘)))
# 买票
def buy(i):
    with open(‘data‘,‘r‘,encoding=‘utf-8‘) as f:
        data = f.read()
    t_d = json.loads(data)
    time.sleep(1)
    if t_d.get(‘ticket‘) > 0:
        # 票数减一
        t_d[‘ticket‘] -= 1
        # 更新票数
        with open(‘data‘,‘w‘,encoding=‘utf-8‘) as f:
            json.dump(t_d,f)
        print(‘用户%s抢票成功‘%i)
    else:
        print(‘没票了‘)
def run(i,mutex):
    search(i)
    mutex.acquire()  # 抢锁  只要有人抢到了锁 其他人必须等待该人释放锁
    buy(i)
    mutex.release()  # 释放锁
if __name__ == ‘__main__‘:
    mutex = Lock()  # 生成了一把锁
    for i in range(10):
        p = Process(target=run,args=(i,mutex))
        p.start()

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END