Python（黄金时代）——多线程、多进程、协程

基本使用

基本概念

进程
- 几乎所有的操作系统都支持同时运行多个任务，一个任务通常就是一个程序，每个运行中的程序就是一个进程
- 进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定的独立功能
- 进程是系统进行资源分配调度的一个独立单位
线程
- 线程（Thread）也叫轻量级进程，是操作系统能够进行运算调度的最小单位
- 它被包涵在进程之中，是进程中的实际运作单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源
- 进程中的多个线程之间可以并发执行

一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程可以拥有自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量，但不拥有系统资源，它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。

多线程的优点

进程之间不能共享内存，但线程之间共享内存非常容易
操作系统在创建进程时，需要为该进程重新分配系统资源，但创建线程的代价则小得多。因此，使用多线程来实现多任务并发执行比使用多进程的效率高
Python 语言内置了多线程功能支持，而不是单纯地作为底层操作系统的调度方式，从而简化了 Python 的多线程编程

示例

方式一： 使用 threading.Thread(target=方法名) 的方式实现多线程

参数说明：threading.Thread(参数说明)

target：指定该线程要调度的目标方法。只传函数名，不传函数，即不加()
args：指定一个元组，以位置参数的形式为target指定的函数传入参数。元组的第一个参数传给target的第一个，以此类推
kwargs：指定一个字典，以关键字参数的形式为target指定的函数传入参数
daemon:　指定所构建的线程是否为后台线程

import time
import threading


def eat(num):
    for i in range(num):
        print("我正在吃饭......")
        time.sleep(1)


def drunk(num=10):
    for i in range(num):
        print("我正在喝水......")
        time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个线程
    t1 = threading.Thread(target=eat, args=(10,))
    t2 = threading.Thread(target=drunk)
    # 启动两个线程
    t1.start()
    t2.start()

    while True:
        threadList = threading.enumerate()
        print("正在运行的线程是：", threadList)
        print("正在运行的线程数量是：", len(threadList))
        time.sleep(2)

方式二：继承threading.Thread

import time
import threading


class MyThread(threading.Thread):

    def run(self):
        for i in range(10):
            print("线程启动了，我的名字叫：", self.name)
            time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个线程
    t1 = MyThread()
    t2 = MyThread()
    # 启动两个线程, start() 方法内部会自动去调用 run方法，所以此处写 start() 就可以了
    t1.start()
    t2.start()

    while True:
        threadList = threading.enumerate()
        print("正在运行的线程是：", threadList)
        print("正在运行的线程数量是：", len(threadList))
        time.sleep(2)

全局变量、互斥锁、死锁

共享全局变量示例

import threading

g_num = 0

def fun_1(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        g_num += 1
    print("------fun_1的g_num值：%d" % g_num)


def fun_2(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        g_num += 1
    print("------fun_2的g_num值：%d" % g_num)


if __name__ == '__main__':
    t1 = threading.Thread(target=fun_1, args=(1000000,))
    t2 = threading.Thread(target=fun_2, args=(1000000,))
    t1.start()
    t2.start()

输出结果：

从以上结果可以看出，直接使用全局变量是有问题的，按理说，预期结果应该是2000000，实际结果相关很大，且每次执行结果都不一样

原因

在g_num=0 时，t1取得g_num=0，此时系统把t1调度为 "sleeping" 状态，把t2转换为 "running" 状态，t2 这时也获得了 g_num=0
然后 t2对得到的值进行加1，并赋给g_num，使得g_num=1
然后系统又把 t2调度为"sleeing"，把t1转为"running",线程t1又把它之前得到的0 加1后赋值给 g_num。
这样就导致了 t1和t2都对 g_num加1，但结果仍然是 g_num=1

解决方案：互斥锁

当多个线程几乎同时修改某个共享数据的时候，需要进行同步控制
某个线程要更改共享数据时，先将其锁定，此时资源状态为”锁定“，其他线程不能更改；直到该线程释放资源，将资源的状态改为”非锁定“，其他的线程才能再次锁定该资源。互拆锁保证了每次只有一个线程进行写入操作，从而保证了多线程数据的正确性

import threading

g_num = 0

def fun_1(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        # 上锁，如果之前没上锁，此时调用就会上锁；如果之前上锁了，此时调用就会阻塞，直接锁被别人释放
        lock.acquire()
        g_num += 1
        # 释放锁
        lock.release()
    print("------fun_1的g_num值：%d" % g_num)


def fun_2(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        # 上锁，如果之前没上锁，此时调用就会上锁；如果之前上锁了，此时调用就会阻塞，直接锁被别人释放
        lock.acquire()
        g_num += 1
        # 释放锁
        lock.release()
    print("------fun_2的g_num值：%d" % g_num)


if __name__ == '__main__':
    # 创建一个互斥锁，默认是没上锁的
    lock=threading.Lock()

    t1 = threading.Thread(target=fun_1, args=(1000000,))
    t2 = threading.Thread(target=fun_2, args=(1000000,))
    t1.start()
    t2.start()

死锁

在线程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
尽管死锁很少发生，但一旦发生就会造成程序停止响应

import threading
import time


def fun_1():
    # 1号锁，上锁
    lock1.acquire()
    print("fun_1..do some thing.........1")
    time.sleep(1)

    # 2号锁，上锁，如果被别人占用了，则会阻塞
    lock2.acquire()
    print("fun_1..do some thing..........2")
    # 释放2号锁
    lock2.release()

    # 释放1号锁
    lock1.release()


def fun_2():
    # 2号锁，上锁
    lock2.acquire()
    print("fun_2..do some thing.........2")
    time.sleep(1)

    # 1号锁，上锁，如果被别人占用了，则会阻塞
    lock1.acquire()
    print("fun_2..do some thing..........1")
    # 释放1号锁
    lock1.release()

    # 释放2号锁
    lock2.release()

if __name__ == '__main__':
    # 创建两个互斥锁
    lock1=threading.Lock()
    lock2=threading.Lock()

    t1 = threading.Thread(target=fun_1)
    t2 = threading.Thread(target=fun_2)
    t1.start()
    t2.start()

输出结果：会一直停止阻塞

死锁解决方案

程序设计时避免
添加超时等待

进程

进程的状态

新建：操作系统调度启动一个新进程
就绪态：运行的条件都已经满足，等待cpu执行
执行态：cpu 正在执行
等待态：等待某些条件满足，例如一个程序sleep了，此时就处于等待态

进程的创建

在python中，提供了 multiprocessing 模块，就是跨平台的多进程模块，模块提供了 Process类来代表一人进程对象，这个对象可以理解为一个独立的进程
Process 参数说明
- target：传递函数的引用，子进程将执行这个函数
- args：给target指定的函数，传递参数,以元组的方式传递,非必填
- kwargs：给target指定的函数传递命名参数，非必填
- name：给进程设定一个名称,非必填
- group：指定进程组，非必填
Process 对象的常用方法
- start()：启动子进程
- is_alive()：判断子进程是否还活着
- join(timeout)：是否等待子进程执行结束，或等待多少秒
- terminate()：不管任务是否完成，立即终止子进程
Process 对象的常用属性
- name：当前进程的别名，默认为Process-x, x为从1开始递增的整数
- pid：当前进程的pid (进程号)

示例

import time
import os
import multiprocessing


def eat(num):
    for i in range(num):
        print("我正在吃饭......,我的进程号是：%d,父进程的进程号是：%d" % (os.getpid(),os.getppid()))
        time.sleep(1)


def drunk(num):
    for i in range(num):
        print("我正在喝水......我的进程号是：%d,父进程的进程号是：%d" % (os.getpid(),os.getppid()))
        time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个进程
    p1 = multiprocessing.Process(target=eat, args=(10,))
    p2 = multiprocessing.Process(target=drunk, args=(10,))
    # 启动两个进程
    p1.start()
    p2.start()

    print("主进程的进程号是：%d" %os.getpid())

输出结果

进程线程区别

功能区别
- 进程：能够完成多任务，比如，在一台电脑上运行多个qq
- 线程：能够完成多任务，比如，在一个qq中开多个聊天窗口
调度
- 进程是资源分配的基本单位
- 线程是cpu调度和执行的最小单位
拥有资源
- 进程拥有资源的一个独立单位
- 线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源
稳定性
- 进程有独立的地址空间，多进程较稳定，因为其中一个出现状况不影响另外一个
- 同一个进程的多个线程，共用地址空间，多线程相比于多进程，稳定性要差，因为一个线程出现问题会严重影响其他线程
依赖关系
- 一个线程只能属性一个进程
- 一个进程至少有一个线程
针对全局变量的共享
- 多进程间不共享全局变量（进程间都是独立的）
- 多线程间共享全局变量

进程间的通信

不同的进程间有时也需要进行数据传递，在Python中，可以使用 muitiprocessiong模块的 Queue，来实现进程间的数据传递
Queue 是一个消息队列，数据是先进先出的原则

示例

import time
import multiprocessing


def set_data(queue):
    numList=[1,2,3,4]
    for i in numList:
        # 给队列中放数据,如果队列已经满了，则会阻塞，直到能放数据为止
        queue.put(i)

    time.sleep(1)


def get_data(queue):
    while True:
        # 判断队列中如果没有数据了，则退出循环
        if queue.empty():
            break

        # 从队列中取数据
        data=queue.get()
        print("从队列中取出的数据是：",data)

if __name__ == '__main__':
    # 创建一个消息列表，容量是3(表示只能装3个数据)
    queue=multiprocessing.Queue(3)

    # 创建两个进程
    p1 = multiprocessing.Process(target=set_data, args=(queue,))
    p2 = multiprocessing.Process(target=get_data, args=(queue,))
    # 启动两个进程
    p1.start()
    p2.start()

输出结果

进程池

需要创建成百上千个进程时，可以使用 muitiprocessing模块提供的 Pool 方法
初始化Pool时，可以指定一个最大进程数，当有新的请求提交到Pool中时，如果池里面没有满，就会创建一个新的进程来执行该请求，如果已经满了，那么就会等待，直到池中有空闲进程，会调用空闲进程来执行新任务

示例

import time
import os
import multiprocessing

def work(msg):
    print("开始执行工作,当前进程是：",os.getpid())
    time.sleep(2)
    print("接收到的消息数据是：%s"%msg)


if __name__ == '__main__':
    # 创建进程池，容量为3
    pool=multiprocessing.Pool(3)

    for i in range(10):
        # pool.apply_async(要调用的目标，（传递给目标的参数元组,））
        # 每次循环将会用空闲的子进程去执行任务
        pool.apply_async(work,("传递参数:%d"%i,))

    # 关闭进程池，关闭后进程池不再接收新请求
    pool.close()
    # 等待进程池中所有的子进程执行完成 ，必须放在close 语句之后
    pool.join()

输出结果

协程

迭代器

迭代是访问集合元素的一种方式
迭代器是一个可以记住遍历位置的对象。
迭代器对象从集合的第一个元素开始访问，直到所有的元素都访问完成
迭代器只会前进，不会后退
我们把对 list、set、str、tuple 等类型的数据使用 for...in ... 的方式从中获取数据，这样的过程称为遍历（循环），也叫迭代

判断一个数据类型是否可迭代，使用 isinstance(xxx,Iterable)

输出结果

自已实现迭代器示例

class MyIterator:
    """自己实现一个迭代器"""

    def __init__(self):
        self.name = list()
        self.currentIndex = 0

    def add(self, arg):
        self.name.append(arg)

    def __iter__(self):
        # 如果想要一个对象成为可以被迭代的对象，即可以使用 for ... in ... ，那么必须实现 __iter__ 方法
        return self

    def __len__(self):
        return len(self.name)

    def __next__(self):
        # 当使用for...in... 迭代时，会先调用 __iter__ 方法，然后调用其返回对象中的 __next__ 方法(即本方法)
        if self.currentIndex < len(self.name):
            result = self.name[self.currentIndex]
            self.currentIndex += 1
            return result
        else:
            # 抛出一个 停止迭代的异常
            raise StopIteration


myIter = MyIterator()
myIter.add("张三")
myIter.add("李四")
myIter.add("王五")

for i in myIter:
    print(i)

# 获取集合长度
print(len(myIter))

生成器

生成器是一种特殊的迭代器
创建生成器有两种方式
- 方式一：把一个列表生成式的[] 改成 ()

# 原始列表
l=[x*2 for x in range(10)]
# 构建生成器
g=(x*2 for x in range(10))

# 迭代创建的生成器
for i in g:
    print(i)

方式二：使用 yield 关键字

def create_age(num):
    currentAge=0
    while currentAge<num:
        # 创建生成器中的 值,并打印 send 过来的参数值
        sendMsg=yield currentAge
        print("%s 的年龄是：%d"%(sendMsg,currentAge))
        currentAge+=1
# 创建生成器，并初始化10个值
obj=create_age(10)

# 迭代一次 生成器中的值
n=next(obj)
ss=obj.send("name"+str(0))
print("send的结果：",ss)

# 迭代后续，生成器中的值
for i in obj:
    print(i)

协程

实现方式一：采用yield 实现

import time

def eat():
    while True:
        print("我在吃饭.....")
        time.sleep(1)
        yield


def drunk():
    while True:
        print("我在喝水.....")
        time.sleep(1)
        yield

if __name__ == '__main__':
    # 创建两个生成器
    eat=eat()
    drunk=drunk()

    while True:
        next(eat)
        next(drunk)

实现方式二：采用 greenlet 实现
- 先安装 greenlet 模块：pip install greenlet

import time
from greenlet import greenlet


def eat():
    while True:
        print("我在吃饭.....")
        # 切换到g2中运行
        g2.switch()
        time.sleep(1)


def drunk():
    while True:
        print("我在喝水.....")
        # 切换到g1中运行
        g1.switch()
        time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个生成器
    g1 = greenlet(eat)
    g2 = greenlet(drunk)

    # 切换到g1中运行
    g1.switch()

实现方式三：采用 gevent实现（推荐使用）
- 由于 greenlet 需要人手动切换，比较占用IO资源，并且会出现，一旦中间某个程序处于线程等待的话，会一直等待很长时间的问题。所以gevent就应运而生，gevent 遇到延时阻塞会自动切换
- 先安装 gevent模块：pip install gevent

import time
import gevent
from gevent import monkey

# 有耗时操作时需要, 将程序中用到的耗时操作的代码，换为gevent中自己实现的模块
monkey.patch_all()


def work(num):
    for i in range(num):
        print(gevent.getcurrent(), i)
        # 使用 mokey.patch_all() 之后，程序会自动替换成 gevent里面的 gevent.sleep() 方法
        time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 创建并启动协程
    gevent.joinall({
        gevent.spawn(work, 10),
        gevent.spawn(work, 10)
    })

图片下载器实现

import gevent
from gevent import monkey
from urllib import request

# 有耗时操作时需要, 将程序中用到的耗时操作的代码，换为gevent中自己实现的模块
monkey.patch_all()

def down_pic(filename,url):
    resp=request.urlopen(url)
    data=resp.read()

    # 写入文件
    with open(filename,"wb") as f:
        f.write(data)


if __name__ == '__main__':
    # 创建并启动协程
    gevent.joinall({
        gevent.spawn(down_pic, "1.jpg","https://himg3.qunarzz.com/imgs/201812/14/C._M0DCiiigrWCy4LQi1024.jpg"),
        gevent.spawn(down_pic, "2.jpg","https://source.qunarzz.com/site/images/zhuanti/huodong/shangwu.jpg")
    })