29.并发编程之多线程:进程池与线程池、并发编程之协程

• 进程池与线程池

• 并发编程之协程

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• 进程池与线程池

  在刚开始学多进程或多线程时，我们迫不及待地基于多进程或多线程实现并发的套接字通信，然而这种实现方式的致命缺陷是：服务的开启的进程数或线程数都会随着并发的客户端数目地增多而增多，这会对服务端主机带来巨大的压力，甚至于不堪重负而瘫痪，于是我们必须对服务端开启的进程数或线程数加以控制，让机器在一个自己可以承受的范围内运行，这就是进程池或线程池的用途，例如进程池，就是用来存放进程的池子，本质还是基于多进程，只不过是对开启进程的数目加上了限制

  • Python标准模块--concurrent.futures

# 1、介绍
concurrent.futures模块是用来创建并行的任务，提供了高度封装的异步调用接口
concurent.future这个模块用起来非常方便，它的接口也封装的非常简单，既可以实现进程池，也可以实现线程池
ThreadPoolExecutor：线程池，提供异步调用
ProcessPoolExecutor: 进程池，提供异步调用
两者都实现了同一个接口，这个接口是由抽象Executor类定义的。

# 2、基本方法
submit(fn, *args, **kwargs)
异步提交任务

map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1) 
取代for循环submit的操作

shutdown(wait=True) 
相当于进程池的pool.close()+pool.join()操作
wait=True，等待池内所有任务执行完毕回收完资源后才继续
wait=False，立即返回，并不会等待池内的任务执行完毕
但不管wait参数为何值，整个程序都会等到所有任务执行完毕
submit和map必须在shutdown之前

result(timeout=None)
取得结果

add_done_callback(fn)
回调函数

进程池

"""
# 介绍：
ProcessPoolExecutor类是Executor的子类，它使用一个进程池来异步执行调用。ProcessPoolExecutor
使用多处理模块，这允许它避免全局解释器锁，但也意味着只能执行和返回可pickle的对象。
类concurrent.futures。ProcessPoolExecutor (max_workers = None, mp_context =没有)
使用最多max_workers进程池异步执行调用的Executor子类。如果max_workers为None或未给出，则默认值为
机器上的处理器数。如果max_workers小于或等于0，则会引发ValueError。

"""
# 用法：异步执行
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor
from threading import current_thread
import os,time,random

def task(n):  # 定一个任务
    print('%s is runing' %os.getpid()) # 任务启动先打印任务的进程pid
    # I/O密集型的，一般用线程，用进程开销大耗时长
    time.sleep(random.randint(1,3))  # 随机睡1-3秒
    return n**2   # 返回值

def handle(futrue): # 处理任务的函数，拿到futrue对象
    res = futrue.result() # 拿到返回结果，一个任务运行完就会触发回调函数，所以不会阻塞
    print("%s 正在处理结果：%s" %(os.getpid(),res))
    time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
    pool = ProcessPoolExecutor(max_workers=4) # 对于进程池如果不写max_works：默认的是cpu的数量是4个

    for i in range(19):  # 现在开了19个任务，如果是上百个任务，就不能无限开进程，就要考虑控制
        pool.submit(task,i).add_done_callback(handle) # 异步的方式提交任务

    pool.shutdown(wait=True)  
''' 
解析:
pool.submit(task,i)会返回一个futrue对象，这个任务对象可以调出add_done_callback()方法，
叫回调函数，里面就一个参数handle，也就是说每提交一个任务捆绑一个函数，一旦一个任务运行完就会立
马触发这个回调函数的运行,并且会自动的把任务对象当做第一个参数传给回调函数。
在回调函数里处理任务，先拿到结果，一个任务运行完就会触发这个回调函数，所以不会阻塞在原地。打印
一边在运行一边就会有人在处理结果，一边在运行着一边结果正在被处理，这个运行效率并不慢，一直都是
主进程在处理任务，这就是回调函数的概念。

'''          

线程池：

"""
# 介绍：
ThreadPoolExecutor是Executor的子类，它使用一个线程池来异步执行调用。
类concurrent.futures。ThreadPoolExecutor (max_workers = None, thread_name_prefix = ")
一个Executor子类，使用最多max_workers线程池来异步执行调用。
3.5版本的变化:如果max_workers没有或没有,它将默认为处理器的机器上,乘以5,假设ThreadPoolExecutor通常
   用于重叠I / O而不是CPU工作和工人的数量应该为ProcessPoolExecutor高于工人的数量。
3.6新版功能:添加了thread_name_prefix参数，允许用户控制线程。由池创建的工作线程的线程名，以便于调试。

"""
# 用法：
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from threading import current_thread
import os,time,random

def task(n):
    print('%s is runing' %current_thread().name)
    time.sleep(random.randint(1,3))
    return n**2

def handle(futrue):
    res = futrue.result()
    print("%s 正在处理结果：%s" %(current_thread().name,res))
    time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
    pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=10) # 对于线程池如果不写max_works：默认的是cpu的数目*5

    for i in range(19): # 同样是19个任务，线程池效率高了
        pool.submit(task,i).add_done_callback(handle)

    pool.shutdown(wait=True)

• 协程

  协程：就是单线程下实现的并发,协程是一种用户态的轻量级线程，即协程是由用户程序自己控制调度的。

  对于单线程下，我们不可避免程序中出现io操作，但如果我们能在自己的程序中（即用户程序级别，而非操作系统级别）控制单线程下的多个任务能在一个任务遇到io阻塞时就切换到另外一个任务去计算，这样就保证了该线程能够最大限度地处于就绪态，即随时都可以被cpu执行的状态，相当于我们在用户程序级别将自己的io操作最大限度地隐藏起来，从而可以迷惑操作系统，让其看到：该线程好像是一直在计算，io比较少，从而更多的将cpu的执行权限分配给我们的线程。

  1. python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度（如单线程遇到io或执行时间过长就会被迫交出cpu执行权限，切换其他线程运行）

  2. 单线程内开启协程，一旦遇到io，就会从应用程序级别（而非操作系统）控制切换，以此来提升效率（！！！非io操作的切换与效率无关）

  对比操作系统控制线程的切换，用户在单线程内控制协程的切换

  特点：自己的应用程序实现多个人的调度

  遇到I/O切换，可以将单线程的I/O降到最低，因此可以将单线程的威力发挥到最大

  缺点：不能实现并行

  单线程下的多个任务一旦遇到I/O，整个线程都会阻塞，所有的任务都停滞

  总结协程特点：

  1. 必须在只有一个单线程里实现并发
  2. 修改共享数据不需加锁
  3. 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
  4. 附加：一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程（如何实现检测IO，yield、greenlet都无法实现，就用到了gevent模块（select机制））

  yiled可以保存状态，yield的状态保存与操作系统的保存线程状态很像，但是yield是代码级别控制的，更轻量级
  send可以把一个函数的结果传给另外一个函数，以此实现单线程内程序之间的切换

• Gevent模块

  • Gevent介绍

  Gevent 是一个第三方库，可以轻松通过gevent实现并发同步或异步编程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 Greenlet全部运行在主程序操作系统进程的内部，但它们被协作式地调度。

  Gevent内部会用到greenlet这个模块，这个模块就是多个任务之间来回的切，切走之前把一个任务的状态保留下来，它们的底层都会用到yield，其实就是层层帮我们封装好了。greenlet内部会封装yield，Gevent就是对greenlet进行了进一步的封装，封装后greenlet会帮忙检测I/O，实现遇到I/O切换，这个才是我们所追求的协程

  用法：
  g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)创建一个协程对象g1，spawn括号内第一个参数是函数名，如eat，后面可以有多个参数，可以是位置实参或关键字实参，都是传给函数eat的

  g2=gevent.spawn(func2)

  g1.join() 等待g1结束

  g2.join() 等待g2结束

  或者上述两步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

  g1.value#拿到func1的返回值

  • 遇到IO阻塞时会自动切换任务

  import gevent
  def eat(name):
      print('%s eat 1' %name) # 1.吃了一口饭
      gevent.sleep(2)  # 2.原地睡了2秒，相当于模拟遇到I/O了
      print('%s eat 2' %name) # 6.接着打印又回来吃了一口饭
  
  def play(name):
      print('%s play 1' %name)  # 3.遇到I/O以后就切到了另外一个任务，玩了一下
      gevent.sleep(1)  # 4.又遇到I/O了，睡了1秒，它先睡完
      print('%s play 2' %name) # 5.接着又玩了一下，原本应该切到eat 2，但是仍在阻塞中
  
  
  g1=gevent.spawn(eat,'egon') # spawn提交eat任务，然后提交一个人名。协程1
  g2=gevent.spawn(play,name='egon')# spawn提交playt任务。协程2
  g1.join() # 等着协程对象g1结束
  g2.join() # 等着协程对象g2结束
  #或者gevent.joinall([g1,g2])
  print('主')
  

  上例gevent.sleep(2)模拟的是gevent可以识别的io阻塞,

  而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码,打补丁,就可以识别了

  from gevent import monkey;monkey.patch_all()必须放到被打补丁者的前面，如time，socket模块之前

  或者我们干脆记忆成：要用gevent，需要将from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的开头

  from gevent import monkey;monkey.patch_all()
  
  import gevent
  import time
  def eat():
      print('eat food 1')
      time.sleep(2)
      print('eat food 2')
  
  def play():
      print('play 1')
      time.sleep(1)
      print('play 2')
  
  g1=gevent.spawn(eat)
  g2=gevent.spawn(play_phone)
  gevent.joinall([g1,g2])
  print('主')
  """
  单线程下能抗住的并发已经非常非常高了，因为现在接触的软件大部分都是I/O密集型的
  其实单线程下完全可以一个任务运行完以后（它真正运行完花的时间是非常短的，大量时间都在做I/O）
  可以利用运行一段时间遇到I/O操作了就快速切换另一个任务再运行，在多任务之间快速的切
  
  """
  

  • 基于协程实现的并发

    通过gevent实现单线程下的socket并发（from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到导入socket模块之前，否则gevent无法识别socket的阻塞）

服务端：

# 首先导了猴子补丁，打了补丁保证下面所有模块的I/O行为都能监测到
from gevent import monkey;monkey.patch_all() 
from socket import *   # 然后导了socket模块，准备写套接字
import gevent # 最后导入gevent模块， 用来单线程下实现并发


def server(server_ip,port): # 套接字服务端任务1：建链接
    s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
    s.bind((server_ip,port)) # 绑定ip和端口
    s.listen(5)  # 监听
    while True:
        conn,addr=s.accept() # 等待链接请求
        # 每建成一个链接，就提交一个协程对象进行通信，异步提交
        gevent.spawn(talk,conn,addr) 

def talk(conn,addr):  # 套接字服务端任务2：建通信
    try:
        while True:
            res=conn.recv(1024) # 收消息
            print('client %s:%s msg: %s' %(addr[0],addr[1],res))
            conn.send(res.upper()) # 回消息，大写回
    except Exception as e:
        print(e)
    finally:
        conn.close()

if __name__ == '__main__':
    server('127.0.0.1',8080) # 把ip和端口传进去
    
# 注：没必要join在原地等了，因为服务端在启动运行起来后，服务端函数是一个死循环，
# 不会结束，既然主进程不会结束那就不用再等了
"""
整体逻辑：就一个线程server，没有多线程也没有多进程，这个线程每建成一个链接就提交
一个协程对象，gevent会帮你在多个任务之间遇到I/O来回快速的切换，从而实现并发效果
如何证明并发的效果？
服务端启动起来后，同时多个客户端连接过去，如果多个客户端能同时得到结果，并发效果
就实现了

"""

客户端：

# 可同时开多个客户端(客户端1、客户端2、客户端3)

from socket import *

client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1',8080))

while True:
    client.send("hello".encode('utf-8')) # 在不停的向服务端发送“hello”
    msg=client.recv(1024) # 收消息，在不停的收HELLO
    print(msg.decode('utf-8'))
    
"""
解析：
三个客户端都能同时不停的发消息和收消息，都有并发效果，但服务端没有开多线程，事实上
就是服务端在多个任务之间来回的切换
其实就是给第一个客户端执行一个seed来发送I/O请求，只要seed发出之后运行完就是操作
系统的任务了，seed负责发消息，操作系统负责做I/O。gevent模块会利用你seed的过程
直接切到下一个任务，再切到下下一个任务，一直往下切，给客户端的感觉就是每一个客户端
都能被服务，并发就实现了

"""