多线程与多进程

知识预览

• 一 进程与线程的概念
• 二 threading模块
• 三 multiprocessing模块
• 四 协程
• 五 IO模型

 

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一 进程与线程的概念

1.1 进程

考虑一个场景：浏览器，网易云音乐以及notepad++ 三个软件只能顺序执行是怎样一种场景呢？另外，假如有两个程序A和B，程序A在执行到一半的过程中，需要读取大量的数据输入（I/O操作），而此时CPU只能静静地等待任务A读取完数据才能继续执行，这样就白白浪费了CPU资源。你是不是已经想到在程序A读取数据的过程中，让程序B去执行，当程序A读取完数据之后，让程序B暂停。聪明，这当然没问题，但这里有一个关键词：切换。

既然是切换，那么这就涉及到了状态的保存，状态的恢复，加上程序A与程序B所需要的系统资源（内存，硬盘，键盘等等）是不一样的。自然而然的就需要有一个东西去记录程序A和程序B分别需要什么资源，怎样去识别程序A和程序B等等(比如读书)。

进程定义：

进程就是一个程序在一个数据集上的一次动态执行过程。进程一般由程序、数据集、进程控制块三部分组成。我们编写的程序用来描述进程要完成哪些功能以及如何完成；数据集则是程序在执行过程中所需要使用的资源；进程控制块用来记录进程的外部特征，描述进程的执行变化过程，系统可以利用它来控制和管理进程，它是系统感知进程存在的唯一标志。

举一例说明进程：
想象一位有一手好厨艺的计算机科学家正在为他的女儿烘制生日蛋糕。他有做生日蛋糕的食谱，厨房里有所需的原料:面粉、鸡蛋、糖、香草汁等。在这个比喻中，做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)计算机科学家就是处理器(cpu)，而做蛋糕的各种原料就是输入数据。进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和。现在假设计算机科学家的儿子哭着跑了进来，说他的头被一只蜜蜂蛰了。计算机科学家就记录下他照着食谱做到哪儿了(保存进程的当前状态)，然后拿出一本急救手册，按照其中的指示处理蛰伤。这里，我们看到处理机从一个进程(做蛋糕)切换到另一个高优先级的进程(实施医疗救治)，每个进程拥有各自的程序(食谱和急救手册)。当蜜蜂蛰伤处理完之后，这位计算机科学家又回来做蛋糕，从他离开时的那一步继续做下去。

1.2 线程

线程的出现是为了降低上下文切换的消耗，提高系统的并发性，并突破一个进程只能干一样事的缺陷，使到进程内并发成为可能。

假设，一个文本程序，需要接受键盘输入，将内容显示在屏幕上，还需要保存信息到硬盘中。若只有一个进程，势必造成同一时间只能干一样事的尴尬（当保存时，就不能通过键盘输入内容）。若有多个进程，每个进程负责一个任务，进程A负责接收键盘输入的任务，进程B负责将内容显示在屏幕上的任务，进程C负责保存内容到硬盘中的任务。这里进程A，B，C间的协作涉及到了进程通信问题，而且有共同都需要拥有的东西——-文本内容，不停的切换造成性能上的损失。若有一种机制，可以使任务A，B，C共享资源，这样上下文切换所需要保存和恢复的内容就少了，同时又可以减少通信所带来的性能损耗，那就好了。是的，这种机制就是线程。
线程也叫轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行过程中的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈共同组成。线程的引入减小了程序并发执行时的开销，提高了操作系统的并发性能。线程没有自己的系统资源。

1.3 进程与线程的关系

进程是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。或者说进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
线程则是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

进程和线程的关系：

(1)一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。
(2)资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。
(3)CPU分给线程，即真正在CPU上运行的是线程。

1.4 并行和并发

并行处理（Parallel Processing）是计算机系统中能同时执行两个或更多个处理的一种计算方法。并行处理可同时工作于同一程序的不同方面。并行处理的主要目的是节省大型和复杂问题的解决时间。并发处理(concurrency Processing)：指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机(CPU)上运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机(CPU)上运行

并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时。并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。所以说，并行是并发的子集

1.5 同步与异步

在计算机领域，同步就是指一个进程在执行某个请求的时候，若该请求需要一段时间才能返回信息，那么这个进程将会一直等待下去，直到收到返回信息才继续执行下去；异步是指进程不需要一直等下去，而是继续执行下面的操作，不管其他进程的状态。当有消息返回时系统会通知进程进行处理，这样可以提高执行的效率。举个例子，打电话时就是同步通信，发短息时就是异步通信。

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二 threading模块

2.1 线程对象的创建

2.1.1 Thread类直接创建

import threading
import timedef countNum(n): # 定义某个线程要运行的函数print("running on number:%s" %n)time.sleep(3)if __name__ == '__main__':t1 = threading.Thread(target=countNum,args=(23,)) #生成一个线程实例t2 = threading.Thread(target=countNum,args=(34,))t1.start() #启动线程t2.start()print("ending!")

2.1.2 Thread类继承式创建

#继承Thread式创建import threading
import timeclass MyThread(threading.Thread):def __init__(self,num):threading.Thread.__init__(self)self.num=numdef run(self):print("running on number:%s" %self.num)time.sleep(3)t1=MyThread(56)
t2=MyThread(78)t1.start()
t2.start()
print("ending")

2.2 Thread类的实例方法

2.2.1 join()和setDaemon()

# join()：在子线程完成运行之前，这个子线程的父线程将一直被阻塞。# setDaemon(True)：'''将线程声明为守护线程，必须在start() 方法调用之前设置，如果不设置为守护线程程序会被无限挂起。当我们在程序运行中，执行一个主线程，如果主线程又创建一个子线程，主线程和子线程 就分兵两路，分别运行，那么当主线程完成想退出时，会检验子线程是否完成。如果子线程未完成，则主线程会等待子线程完成后再退出。但是有时候我们需要的是只要主线程完成了，不管子线程是否完成，都要和主线程一起退出，这时就可以 用setDaemon方法啦'''import threading
from time import ctime,sleep
import timedef Music(name):print ("Begin listening to {name}. {time}".format(name=name,time=ctime()))sleep(3)print("end listening {time}".format(time=ctime()))def Blog(title):print ("Begin recording the {title}. {time}".format(title=title,time=ctime()))sleep(5)print('end recording {time}'.format(time=ctime()))threads = []t1 = threading.Thread(target=Music,args=('FILL ME',))
t2 = threading.Thread(target=Blog,args=('',))threads.append(t1)
threads.append(t2)if __name__ == '__main__':#t2.setDaemon(True)for t in threads:#t.setDaemon(True) #注意:一定在start之前设置t.start()#t.join()#t1.join()#t2.join()    #  考虑这三种join位置下的结果？print ("all over %s" %ctime())

daemon
A boolean value indicating whether this thread is a daemon thread (True) or not (False). This must be set before start() is called, otherwise RuntimeError is raised. Its initial value is inherited from the creating thread; the main thread is not a daemon thread and therefore all threads created in the main thread default to daemon = False.The entire Python program exits when no alive non-daemon threads are left.当daemon被设置为True时，如果主线程退出，那么子线程也将跟着退出，反之，子线程将继续运行，直到正常退出。

 2.2.2 其它方法

Thread实例对象的方法
  # isAlive(): 返回线程是否活动的。# getName(): 返回线程名。# setName(): 设置线程名。threading模块提供的一些方法：# threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。# threading.enumerate(): 返回一个包含正在运行的线程的list。正在运行指线程启动后、结束前，不包括启动前和终止后的线程。# threading.activeCount(): 返回正在运行的线程数量，与len(threading.enumerate())有相同的结果。

2.3 GIL(全局解释器锁)

'''

定义：
In CPython, the global interpreter lock, or GIL, is a mutex that prevents multiple 
native threads from executing Python bytecodes at once. This lock is necessary mainly 
because CPython’s memory management is not thread-safe. (However, since the GIL 
exists, other features have grown to depend on the guarantees that it enforces.)'''

Python中的线程是操作系统的原生线程，Python虚拟机使用一个全局解释器锁（Global Interpreter Lock）来互斥线程对Python虚拟机的使用。为了支持多线程机制，一个基本的要求就是需要实现不同线程对共享资源访问的互斥，所以引入了GIL。
GIL：在一个线程拥有了解释器的访问权之后，其他的所有线程都必须等待它释放解释器的访问权，即使这些线程的下一条指令并不会互相影响。
在调用任何Python C API之前，要先获得GIL
GIL缺点：多处理器退化为单处理器；优点：避免大量的加锁解锁操作

2.3.1 GIL的早期设计

Python支持多线程，而解决多线程之间数据完整性和状态同步的最简单方法自然就是加锁。 于是有了GIL这把超级大锁，而当越来越多的代码库开发者接受了这种设定后，他们开始大量依赖这种特性（即默认python内部对象是thread-safe的，无需在实现时考虑额外的内存锁和同步操作）。慢慢的这种实现方式被发现是蛋疼且低效的。但当大家试图去拆分和去除GIL的时候，发现大量库代码开发者已经重度依赖GIL而非常难以去除了。有多难？做个类比，像MySQL这样的“小项目”为了把Buffer Pool Mutex这把大锁拆分成各个小锁也花了从5.5到5.6再到5.7多个大版为期近5年的时间，并且仍在继续。MySQL这个背后有公司支持且有固定开发团队的产品走的如此艰难，那又更何况Python这样核心开发和代码贡献者高度社区化的团队呢？

2.3.2 GIL的影响

无论你启多少个线程，你有多少个cpu, Python在执行一个进程的时候会淡定的在同一时刻只允许一个线程运行。
所以，python是无法利用多核CPU实现多线程的。
这样，python对于计算密集型的任务开多线程的效率甚至不如串行(没有大量切换)，但是，对于IO密集型的任务效率还是有显著提升的。

计算密集型：

#coding:utf8
from threading import Thread
import timedef counter():i = 0for _ in range(50000000):i = i + 1return Truedef main():l=[]start_time = time.time()for i in range(2):t = Thread(target=counter)t.start()l.append(t)t.join()# for t in l:#     t.join()end_time = time.time()print("Total time: {}".format(end_time - start_time))if __name__ == '__main__':main()'''
py2.7:串行:25.4523348808s并发:31.4084379673s
py3.5:串行:8.62115597724914s并发:8.99609899520874s'''

2.3.3 解决方案

用multiprocessing替代Thread multiprocessing库的出现很大程度上是为了弥补thread库因为GIL而低效的缺陷。它完整的复制了一套thread所提供的接口方便迁移。唯一的不同就是它使用了多进程而不是多线程。每个进程有自己的独立的GIL，因此也不会出现进程之间的GIL争抢。

#coding:utf8
from multiprocessing import Process
import timedef counter():i = 0for _ in range(40000000):i = i + 1return Truedef main():l=[]start_time = time.time()for _ in range(2):t=Process(target=counter)t.start()l.append(t)#t.join()for t in l:t.join()end_time = time.time()print("Total time: {}".format(end_time - start_time))if __name__ == '__main__':main()'''py2.7:串行:6.1565990448 s并行:3.1639978885 spy3.5:串行:6.556925058364868 s并发:3.5378448963165283 s'''

当然multiprocessing也不是万能良药。它的引入会增加程序实现时线程间数据通讯和同步的困难。就拿计数器来举例子，如果我们要多个线程累加同一个变量，对于thread来说，申明一个global变量，用thread.Lock的context包裹住三行就搞定了。而multiprocessing由于进程之间无法看到对方的数据，只能通过在主线程申明一个Queue，put再get或者用share memory的方法。这个额外的实现成本使得本来就非常痛苦的多线程程序编码，变得更加痛苦了。

总结：因为GIL的存在，只有IO Bound场景下得多线程会得到较好的性能 - 如果对并行计算性能较高的程序可以考虑把核心部分也成C模块，或者索性用其他语言实现 - GIL在较长一段时间内将会继续存在，但是会不断对其进行改进。

所以对于GIL，既然不能反抗，那就学会去享受它吧！

2.4 同步锁 (Lock)

import time
import threadingdef addNum():global num #在每个线程中都获取这个全局变量#num-=1temp=numtime.sleep(0.1)num =temp-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('Result: ', num)

锁通常被用来实现对共享资源的同步访问。为每一个共享资源创建一个Lock对象，当你需要访问该资源时，调用acquire方法来获取锁对象（如果其它线程已经获得了该锁，则当前线程需等待其被释放），待资源访问完后，再调用release方法释放锁：

import threadingR=threading.Lock()R.acquire()
'''
对公共数据的操作
'''
R.release()

扩展思考

'''
1、为什么有了GIL，还需要线程同步？多线程环境下必须存在资源的竞争,那么如何才能保证同一时刻只有一个线程对共享资源进行存取?加锁, 对, 加锁可以保证存取操作的唯一性, 从而保证同一时刻只有一个线程对共享数据存取.通常加锁也有2种不同的粒度的锁:coarse-grained(粗粒度)： python解释器层面维护着一个全局的锁机制,用来保证线程安全。内核级通过GIL实现的互斥保护了内核的共享资源。fine-grained(细粒度)：   那么程序员需要自行地加,解锁来保证线程安全，用户级通过自行加锁保护的用户程序的共享资源。2、GIL为什么限定在一个进程上？你写一个py程序，运行起来本身就是一个进程，这个进程是有解释器来翻译的，所以GIL限定在当前进程；如果又创建了一个子进程，那么两个进程是完全独立的，这个字进程也是有python解释器来运行的，所以这个子进程上也是受GIL影响的                '''

2.5 死锁与递归锁

所谓死锁： 是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

import threading
import timemutexA = threading.Lock()
mutexB = threading.Lock()class MyThread(threading.Thread):def __init__(self):threading.Thread.__init__(self)def run(self):self.fun1()self.fun2()def fun1(self):mutexA.acquire()  # 如果锁被占用,则阻塞在这里,等待锁的释放print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResA",time.time()))mutexB.acquire()print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResB",time.time()))mutexB.release()mutexA.release()def fun2(self):mutexB.acquire()print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResB",time.time()))time.sleep(0.2)mutexA.acquire()print ("I am %s , get res: %s---%s" %(self.name, "ResA",time.time()))mutexA.release()mutexB.release()if __name__ == "__main__":print("start---------------------------%s"%time.time())for i in range(0, 10):my_thread = MyThread()my_thread.start()

在Python中为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了可重入锁RLock。这个RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次require。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。上面的例子如果使用RLock代替Lock，则不会发生死锁：

?

1	mutex = threading.RLock()

2.6 Event对象

线程的一个关键特性是每个线程都是独立运行且状态不可预测。如果程序中的其 他线程需要通过判断某个线程的状态来确定自己下一步的操作,这时线程同步问题就 会变得非常棘手。为了解决这些问题,我们需要使用threading库中的Event对象。 对象包含一个可由线程设置的信号标志,它允许线程等待某些事件的发生。在 初始情况下,Event对象中的信号标志被设置为假。如果有线程等待一个Event对象, 而这个Event对象的标志为假,那么这个线程将会被一直阻塞直至该标志为真。一个线程如果将一个Event对象的信号标志设置为真,它将唤醒所有等待这个Event对象的线程。如果一个线程等待一个已经被设置为真的Event对象,那么它将忽略这个事件, 继续执行

event.isSet()：返回event的状态值；event.wait()：如果 event.isSet()==False将阻塞线程；event.set()： 设置event的状态值为True，所有阻塞池的线程激活进入就绪状态， 等待操作系统调度；event.clear()：恢复event的状态值为False。

      

可以考虑一种应用场景（仅仅作为说明），例如，我们有多个线程从Redis队列中读取数据来处理，这些线程都要尝试去连接Redis的服务，一般情况下，如果Redis连接不成功，在各个线程的代码中，都会去尝试重新连接。如果我们想要在启动时确保Redis服务正常，才让那些工作线程去连接Redis服务器，那么我们就可以采用threading.Event机制来协调各个工作线程的连接操作：主线程中会去尝试连接Redis服务，如果正常的话，触发事件，各工作线程会尝试连接Redis服务。

import threading
import time
import logginglogging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format='(%(threadName)-10s) %(message)s',)def worker(event):logging.debug('Waiting for redis ready...')event.wait()logging.debug('redis ready, and connect to redis server and do some work [%s]', time.ctime())time.sleep(1)def main():readis_ready = threading.Event()t1 = threading.Thread(target=worker, args=(readis_ready,), name='t1')t1.start()t2 = threading.Thread(target=worker, args=(readis_ready,), name='t2')t2.start()logging.debug('first of all, check redis server, make sure it is OK, and then trigger the redis ready event')time.sleep(3) # simulate the check progressreadis_ready.set()if __name__=="__main__":main()

threading.Event的wait方法还接受一个超时参数，默认情况下如果事件一致没有发生，wait方法会一直阻塞下去，而加入这个超时参数之后，如果阻塞时间超过这个参数设定的值之后，wait方法会返回。对应于上面的应用场景，如果Redis服务器一致没有启动，我们希望子线程能够打印一些日志来不断地提醒我们当前没有一个可以连接的Redis服务，我们就可以通过设置这个超时参数来达成这样的目的：

def worker(event):while not event.is_set():logging.debug('Waiting for redis ready...')event.wait(2)logging.debug('redis ready, and connect to redis server and do some work [%s]', time.ctime())time.sleep(1)

这样，我们就可以在等待Redis服务启动的同时，看到工作线程里正在等待的情况。

2.7 Semaphore（信号量）

Semaphore管理一个内置的计数器，
每当调用acquire()时内置计数器-1；
调用release() 时内置计数器+1；
计数器不能小于0；当计数器为0时，acquire()将阻塞线程直到其他线程调用release()。

实例：(同时只有5个线程可以获得semaphore,即可以限制最大连接数为5)：

import threading
import timesemaphore = threading.Semaphore(5)def func():if semaphore.acquire():print (threading.currentThread().getName() + ' get semaphore')time.sleep(2)semaphore.release()for i in range(20):t1 = threading.Thread(target=func)t1.start()

应用：连接池

思考：与Rlock的区别？

2.8 队列(queue)

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

2.8.1 get与put方法

'''创建一个“队列”对象import Queue
q = Queue.Queue(maxsize = 10)
Queue.Queue类即是一个队列的同步实现。队列长度可为无限或者有限。可通过Queue的构造函数的可选参数
maxsize来设定队列长度。如果maxsize小于1就表示队列长度无限。将一个值放入队列中
q.put(10)
调用队列对象的put()方法在队尾插入一个项目。put()有两个参数，第一个item为必需的，为插入项目的值；
第二个block为可选参数，默认为
1。如果队列当前为空且block为1，put()方法就使调用线程暂停,直到空出一个数据单元。如果block为0，
put方法将引发Full异常。将一个值从队列中取出
q.get()
调用队列对象的get()方法从队头删除并返回一个项目。可选参数为block，默认为True。如果队列为空且
block为True，get()就使调用线程暂停，直至有项目可用。如果队列为空且block为False，队列将引发Empty异常。'''

2.8.2  join与task_done方法

'''
join() 阻塞进程，直到所有任务完成，需要配合另一个方法task_done。def join(self):with self.all_tasks_done:while self.unfinished_tasks:self.all_tasks_done.wait()task_done() 表示某个任务完成。每一条get语句后需要一条task_done。import queue
q = queue.Queue(5)
q.put(10)
q.put(20)
print(q.get())
q.task_done()
print(q.get())
q.task_done()q.join()print("ending!")
'''

2.8.3 其他常用方法

'''此包中的常用方法(q = Queue.Queue()):

q.qsize() 返回队列的大小
q.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
q.full() 如果队列满了，返回True,反之False
q.full 与 maxsize 大小对应
q.get([block[, timeout]]) 获取队列，timeout等待时间
q.get_nowait() 相当q.get(False)非阻塞 
q.put(item) 写入队列，timeout等待时间
q.put_nowait(item) 相当q.put(item, False)
q.task_done() 在完成一项工作之后，q.task_done() 函数向任务已经完成的队列发送一个信号
q.join() 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作'''

2.8.4 其他模式

'''Python Queue模块有三种队列及构造函数: 1、Python Queue模块的FIFO队列先进先出。  class queue.Queue(maxsize) 
2、LIFO类似于堆，即先进后出。           class queue.LifoQueue(maxsize) 
3、还有一种是优先级队列级别越低越先出来。 class queue.PriorityQueue(maxsize) import queue