Python进程与线程开发

multiprocessing模块

线程的开发

threading模块

setDaemon

死锁

线程间的通信

multiprocessing模块

运行python的时候，我们都是在创建并运行一个进程，(linux中一个进程可以fork一个子进程，并让这个子进程exec另外一个程序)。在python中，我们通过标准库中的subprocess包来fork一个子进程，并且运行一个外部的程序。subprocess包中定义有数个创建子进程的函数，这些函数分别以不同的方式创建子进程，所欲我们可以根据需要来从中选取一个使用。另外subprocess还提供了一些管理标准流(standard stream)和管道(pipe)的工具，从而在进程间使用文本通信。

multiprocessing 包同时提供本地和远程并发，使用子进程代替线程，有效避免 Global Interpreter Lock 带来的影响。

from multiprocessing import Process
import os
from time import sleep, time
def test1(name):
  
  print("当前进程的ID", os.getpid())
  print("父进程的ID", os.getppid())
  print("当前进程的名字：", name)
  
  sleep(3)

if __name__ == '__main__':
  start = time()
  # 创建多个子进程，并且把这些子进程放入列表中
  process_list = []
  print("主进程的ID", os.getpid())
  for i in range(10):
    
    p = Process(target=test1, args=('process-%s' % i,))
    
    p.start()
    process_list.append(p)

类包装：自定义一个Process进程类，该类中的run函数由一个子进程调用执行

from multiprocessing import Process
import os
from time import sleep, time
# 自定义一个进程类 继承Process类
class MyProcess(Process):
  def __init__(self, name):
    Process.__init__(self)
    self.name = name
  def run(self):
    
    print("当前进程的ID", os.getpid())
    print("父进程的ID", os.getppid())
    print("当前进程的名字：", self.name)
    sleep(3)

if __name__ == '__main__':
  print("主进程ID", os.getpid())
  
  start = time()
  process_list = []
  for i in range(10):
    
    p = MyProcess("process-%s" % i)
    
    p.start()
    process_list.append(p)
  for p in process_list:
    
    p.join()
    
    end = time() - start
    print(end)

线程的开发

Python 的标准库提供了两个模块：thread 和 threading，thread 是低级模块，threading 是高级模块，对_thread进行了封装。绝大多数情况下，我们只需要使用threading 这个高级模块。

多线程概念

多线程使得系统可以在单独的进程中执行并发任务。虽然进程也可以在独立的内存空间中并发执行，但是其系统开销会比较大。生成一个新进程必须为其分配独立的地址空间，并维护其代码段、堆栈段和数据段等，这种开销是巨大的。另外，进程间的通信实现也不方便。在程序功能日益复杂的时候，需要有更好的系统模型来满足要求，线程由此产生了。线程是“轻量级”的，一个进程中的线程使用同样的地址空间，且共享许多资源。启动线程的时间远远小于启动进程的时间和空间，而且，线程间的切换也要比进程间的切换快得多。由于使用同样的地址空间，所以线程之间的数据通信比较方便，一个进程下的线程之间可以直接使用彼此的数据。当然，这种方便性也会带来一些问
题，特别是同步问题。多线程对于那些I/O受限的程序特别适用。其实使用多线程的一个重要目的，就是最大化地利用CPU的资源。当某一线程在等待I/O的时候，另外一个线程可以占用CPU资源。如最简单的GUI程序，一般需要有一个任务支持前台界面的交互，还要有一个任务支持后台的处理。

多线程运行的作用：

使用线程可以把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理。
用户界面可以更加吸引人，比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度。
程序的运行速度可能加快。
在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等。在这种情况下我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用。

线程可以分为内核线程和用户线程，内核线程由操作系统内核创建和撤销；用户线程不需要内核支持而在用户程序中实现的线程。

创建线程

Python3 通过两个标准库 _thread 和 threading 提供对线程的支持。

threading模块

import time
def say():
  print("这是单线程！")
  time.sleep(1)
if __name__ == "__main__":
  start = time.time()
  for i in range(5):
    say()
  end = time.time()
  print(f'使用时间：{end - start}')

import threading
import time
def say():
  print("这是多线程")
  time.sleep(1)
if __name__ == "__main__":
  '''入口'''
  start = time.time()
  for i in range(5):
    # 通过threading下的Thread方法创建线程
    t = threading.Thread(target=say)
    t.start()  # 启动线程
  end = time.time()
  print(f'使用时间：{end - start}')

可以明显看出使用了多线程并发的操作，花费时间要短很多。

程序是通过threading模块下的Thread的类，去实例化一个此对象，并调用方法，实现生成多线程，target参数表示线程需要执行的方法，通过对象的start的方法，开启线程。

import threading
from time import sleep,ctime
def sing():
  for i in range(3):
    print("唱歌...%d"%i)
    sleep(1)
def dance():
  for i in range(3):
    print("跳舞...%d"%i)
    sleep(1)
if __name__ == '__main__':
  print('---开始---:%s'%ctime())
  t1 = threading.Thread(target=sing)
  t2 = threading.Thread(target=dance)
  t1.start()
  t2.start()
  sleep(5) 
  print('---结束---:%s'%ctime())

join方法

该方法将等待,一直到它调用的线程终止，它的名字表示调用的线程会一直等待,直到指定的线程加入它。join所完成的工作就是线程同步，即主线程任务结束之后，进入阻塞状态，一直等待其他的子线程执行结束之后，主线程再终止。

from threading import Thread
from time import sleep, time
def run(name):
  
  print("Threading:{} start".format(name))
  sleep(3)
  print("Threading:{} end".format(name))
if __name__ == '__main__':
  
  # 开始时间
  start = time()
  # 创建线程列表
  t_list = []
  # 循环创建线程
  for i in range(10):
    t = Thread(target=run, args=('t{}'.format(i),))
    t.start()
    t_list.append(t)
  # 等待线程结束
  for t in t_list:
    t.join()
  # 计算使用时间
  end = time() - start
  print(end)

setDaemon

将线程声明为守护线程，在start() 方法调用之前设置，这个方法和join是相反的。

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。

from threading import Thread
import time
def foo():
  print(123)
  time.sleep(1)
  print("end123")
def bar():
  print(456)
  time.sleep(3)
  print("end456")
t1 = Thread(target=foo)
t2 = Thread(target=bar)
t1.daemon = True
t1.start()
t2.start()
print("~~~")

同步锁与GIL的关系

GIL本质是一把互斥锁，但GIL锁住的是解释器级别的数据，同步锁，锁的是解释器以外的共享资源，例如:硬盘上的文件控制台，对于这种不属于解释器的数据资源就应该自己加锁处理。

GIL 的作用是：对于一个解释器，只能有一个thread在执行bytecode。所以每时每刻只有一条bytecode在被执行一个thread。GIL保证了bytecode 这层面上是thread safe的。

死锁

在多线程程序中，死锁问题很大一部分是由于线程同时获取多个锁造成的。
在线程间共享多个资源的时候，如果两个线程分别占有一部分资源并且同时等待对方的资源，就会造成死锁。

产生死锁的四个必要条件：

互斥条件：一个资源每次只能被一个线程使用。
请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
不剥夺条件:线程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
循环等待条件:若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

from threading import Thread,Lock
from time import sleep
class Task1(Thread):
  def run(self):
    while True:
      if lock1.acquire():
        print("------Task 1 -----")
        sleep(0.5)
        lock2.release()
class Task2(Thread):
  def run(self):
    while True:
      if lock2.acquire():
        print("------Task 2 -----")
        sleep(0.5)
        lock3.release()

class Task3(Thread):
  def run(self):
    while True:
      if lock3.acquire():
        print("------Task 3 -----")
        sleep(0.5)
        lock1.release()

lock1 = Lock()
#创建另外一把锁
lock2 = Lock()
lock2.acquire()

lock3 = Lock()
lock3.acquire()
t1 = Task1()
t2 = Task2()
t3 = Task3()
t1.start()
t2.start()
t3.start()

线程间的通信

在加锁的情况下，程序就变成了串行，也就是单线程，而有时，我们在不用考虑数据安全时，不用加锁，程序就变成了并行，也就是多线程。为了避免业务开启过多的线程时。我们就可以通过信号量(Semaphore）来设置指定个数的线程。

from threading import Thread, BoundedSemaphore
from time import sleep
def an_jian(num):
  semapshore.acquire()
  print('第{}个人安检完成！'.format(num))
  sleep(2)
  semapshore.release()

if __name__ == '__main__':
  semapshore = BoundedSemaphore(3)
  for i in range(20):
    thread = Thread(target=an_jian, args=(i,))
    thread.start()