python学习三十八-九天(python程序中进程的操作)

主要内容

python的multiprocess模块和用法

在python程序中的进程操作

　　之前我们已经了解了很多进程相关的理论知识，了解进程是什么应该不再困难了，刚刚我们已经了解了，运行中的程序就是一个进程。所有的进程都是通过它的父进程来创建的。因此，运行起来的python程序也是一个进程，那么我们也可以在程序中再创建进程。多个进程可以实现并发效果，也就是说，当我们的程序中存在多个进程的时候，在某些时候，就会让程序的执行速度变快。以我们之前所学的知识，并不能实现创建进程这个功能，所以我们就需要借助python中强大的模块。

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multiprocess模块

      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。

multiprocess.process模块

process模块介绍

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：
group参数未使用，值始终为None
target表示调用对象，即子进程要执行的任务
args表示调用对象的位置参数元组，args=(1,2,'egon',)
kwargs表示调用对象的字典,kwargs={'name':'egon','age':18}
name为子进程的名称

p.start()：启动进程，并调用该子进程中的p.run() 
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  
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
p.is_alive():如果p仍然运行，返回True
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  

方法介绍

p.daemon：默认值为False，如果设为True，代表p为后台运行的守护进程，当p的父进程终止时，p也随之终止，并且设定为True后，p不能创建自己的新进程，必须在p.start()之前设置
p.name:进程的名称
p.pid：进程的pid
p.exitcode:进程在运行时为None、如果为–N，表示被信号N结束(了解即可)
p.authkey:进程的身份验证键,默认是由os.urandom()随机生成的32字符的字符串。这个键的用途是为涉及网络连接的底层进程间通信提供安全性，这类连接只有在具有相同的身份验证键时才能成功（了解即可）

属性介绍

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。

使用process模块创建进程

在一个python进程中开启子进程，start方法和并发效果。

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')
    

在python中启动的第一个子进程

2.子进程中进行传参操作

import os
import time
from multiprocessing import Process

def process1(n,name,num = 20):
    print('process1 : ',os.getpid())
    print('n : ',n,name,num)
    time.sleep(10)

if __name__ == '__main__':
    print(os.getpid())
    p = Process(target=process1,args=[1,'alex',30])
    p.start()

# 主进程默认会等待子进程执行完毕之后才结束
# 主进程和子进程之间的代码是异步的
# 为什么主进程要等待子进程结束 回收一些子进程的资源
# 开启一个进程是有时间开销的 ：操作系统响应开启进程指令，给这个进程分配必要的资源

import os
import time
from multiprocessing import Process

def func():
    print(os.getpid(),os.getppid())
    time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    print(os.getpid(),os.getppid())  # process id,parent process id
    Process(target=func).start()    # func
    print('*'*20)
    time.sleep(0.5)
    print('*'*40)

3. join的用法

import os
from multiprocessing import Process

def func(exp):
    print(os.getpid(),os.getppid())
    result = eval(exp)
    with open('file','w') as f:
        f.write(str(result))

if __name__ == '__main__':
    print(os.getpid(),os.getppid())  # process id,parent process id
    # 3*5+5/6
    p = Process(target=func,args=['3*5'])    # func
    p.start()
    ret = 5/6
    p.join()  # join方法能够检测到p进程是否已经执行完了，阻塞知道p执行结束
    with open('file') as f:
        result = f.read()
    ret = ret + int(result)
    print(ret)

4.开启多个子进程

import os
import time
from multiprocessing import Process

def process(n):
    print(os.getpid(),os.getppid())
    time.sleep(1)
    print(n)
if __name__ == '__main__':
    p_lst = []
    for i in range(10):
        p = Process(target=process,args=[i,])
        p.start()
        p_lst.append(p)
    for p in p_lst:p.join()   # 检测p是否结束 如果没有结束就阻塞直到结束 如果已经结束了就不阻塞
    print('求和')

5.开启子进程的第二种方式

除了上面这些开启进程的方法，还有一种以继承Process类的形式开启进程的方式

import os
from multiprocessing import Process
class Myprocess(Process):
    def __init__(self,*args):
        super().__init__()
        self.args = args
    def run(self):
        print(os.getpid(),self.name,self.pid)
        for name in self.args:
            print('%s和女主播聊天'%name)

if __name__ == '__main__':
    print(os.getpid())
    p = Myprocess('yuan','wusir')
    p.start()   # 在执行start的时候，会帮我们主动执行run方法中的内容

6.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)

进程之间的数据隔离问题

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

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')

守护进程的启动

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.

主进程代码执行结束守护进程立即结束

from multiprocessing import Process
import time
import random

class Myprocess(Process):
    def __init__(self,person):
        self.name=person
        super().__init__()

    def run(self):
        print('%s正在和网红脸聊天' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,5))
        print('%s还在和网红脸聊天' %self.name)


p1=Myprocess('哪吒')
p1.start()

p1.terminate()#关闭进程,不会立即关闭,所以is_alive立刻查看的结果可能还是存活
print(p1.is_alive()) #结果为True

print('开始')
print(p1.is_alive()) #结果为False

进程对象的其他方法:terminate,is_alive

class Myprocess(Process):
    def __init__(self,person):
        self.name=person   # name属性是Process中的属性，标示进程的名字
        super().__init__() # 执行父类的初始化方法会覆盖name属性
        #self.name = person # 在这里设置就可以修改进程名字了
        #self.person = person #如果不想覆盖进程名，就修改属性名称就可以了
    def run(self):
        print('%s正在和网红脸聊天' %self.name)
        # print('%s正在和网红脸聊天' %self.person)
        time.sleep(random.randrange(1,5))
        print('%s正在和网红脸聊天' %self.name)
        # print('%s正在和网红脸聊天' %self.person)


p1=Myprocess('哪吒')
p1.start()
print(p1.pid)    #可以查看子进程的进程id

进程对象的其他属性:pid和name

进程同步(multiprocess.Lock、multiprocess.Semaphore、multiprocess.Event)

锁 —— multiprocess.Lock

      通过刚刚的学习，我们千方百计实现了程序的异步，让多个任务可以同时在几个进程中并发处理，他们之间的运行没有顺序，一旦开启也不受我们控制。尽管并发编程让我们能更加充分的利用IO资源，但是也给我们带来了新的问题。

　　当多个进程使用同一份数据资源的时候，就会引发数据安全或顺序混乱问题

import os
import time
import random
from multiprocessing import Process

def work(n):
    print('%s: %s is running' %(n,os.getpid()))
    time.sleep(random.random())
    print('%s:%s is done' %(n,os.getpid()))

if __name__ == '__main__':
    for i in range(3):
        p=Process(target=work,args=(i,))
        p.start()

多进程抢占输出资源

# 由并发变成了串行,牺牲了运行效率,但避免了竞争
import os
import time
import random
from multiprocessing import Process,Lock

def work(lock,n):
    lock.acquire()
    print('%s: %s is running' % (n, os.getpid()))
    time.sleep(random.random())
    print('%s: %s is done' % (n, os.getpid()))
    lock.release()
if __name__ == '__main__':
    lock=Lock()
    for i in range(3):
        p=Process(target=work,args=(lock,i))
        p.start()

使用锁维护执行顺序

上面这种情况虽然使用加锁的形式实现了顺序的执行，但是程序又重新变成串行了，这样确实会浪费了时间，却保证了数据的安全。

　　接下来，我们以模拟抢票为例，来看看数据安全的重要性

#文件db的内容为：{"count":1}
#注意一定要用双引号，不然json无法识别
#并发运行，效率高，但竞争写同一文件，数据写入错乱
from multiprocessing import Process,Lock
import time,json,random
def search():
    dic=json.load(open('db'))
    print('33[43m剩余票数%s33[0m' %dic['count'])

def get():
    dic=json.load(open('db'))
    time.sleep(0.1) #模拟读数据的网络延迟
    if dic['count'] >0:
        dic['count']-=1
        time.sleep(0.2) #模拟写数据的网络延迟
        json.dump(dic,open('db','w'))
        print('33[43m购票成功33[0m')

def task():
    search()
    get()

if __name__ == '__main__':
    for i in range(100): #模拟并发100个客户端抢票
        p=Process(target=task)
        p.start()

多进程同时抢购余票

#文件db的内容为：{"count":5}
#注意一定要用双引号，不然json无法识别
#并发运行，效率高，但竞争写同一文件，数据写入错乱
from multiprocessing import Process,Lock
import time,json,random
def search():
    dic=json.load(open('db'))
    print('33[43m剩余票数%s33[0m' %dic['count'])

def get():
    dic=json.load(open('db'))
    time.sleep(random.random()) #模拟读数据的网络延迟
    if dic['count'] >0:
        dic['count']-=1
        time.sleep(random.random()) #模拟写数据的网络延迟
        json.dump(dic,open('db','w'))
        print('33[32m购票成功33[0m')
    else:
        print('33[31m购票失败33[0m')

def task(lock):
    search()
    lock.acquire()
    get()
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    lock = Lock()
    for i in range(100): #模拟并发100个客户端抢票
        p=Process(target=task,args=(lock,))
        p.start()

使用锁来保证数据安全

#加锁可以保证多个进程修改同一块数据时，同一时间只能有一个任务可以进行修改，即串行的修改，没错，速度是慢了，但牺牲了速度却保证了数据安全。
虽然可以用文件共享数据实现进程间通信，但问题是：
1.效率低（共享数据基于文件，而文件是硬盘上的数据）
2.需要自己加锁处理

#因此我们最好找寻一种解决方案能够兼顾：1、效率高（多个进程共享一块内存的数据）2、帮我们处理好锁问题。这就是mutiprocessing模块为我们提供的基于消息的IPC通信机制：队列和管道。
队列和管道都是将数据存放于内存中
队列又是基于（管道+锁）实现的，可以让我们从复杂的锁问题中解脱出来，
我们应该尽量避免使用共享数据，尽可能使用消息传递和队列，避免处理复杂的同步和锁问题，而且在进程数目增多时，往往可以获得更好的可获展性。

总结:

# 同步控制
# 只要用到了锁 锁之内的代码就变成同步的了
# 锁 ：控制一段代码 同一时间 只能被一个进程执行

信号量 —— multiprocess.Semaphore（了解）

互斥锁同时只允许一个线程更改数据，而信号量Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据 。
假设商场里有4个迷你唱吧，所以同时可以进去4个人，如果来了第五个人就要在外面等待，等到有人出来才能再进去玩。
实现：
信号量同步基于内部计数器，每调用一次acquire()，计数器减1；每调用一次release()，计数器加1.当计数器为0时，acquire()调用被阻塞。这是迪科斯彻（Dijkstra）信号量概念P()和V()的Python实现。信号量同步机制适用于访问像服务器这样的有限资源。
信号量与进程池的概念很像，但是要区分开，信号量涉及到加锁的概念

from multiprocessing import Process,Semaphore
import time,random

def go_ktv(sem,user):
    sem.acquire()
    print('%s 占到一间ktv小屋' %user)
    time.sleep(random.randint(0,3)) #模拟每个人在ktv中待的时间不同
    sem.release()

if __name__ == '__main__':
    sem=Semaphore(4)
    p_l=[]
    for i in range(13):
        p=Process(target=go_ktv,args=(sem,'user%s' %i,))
        p.start()
        p_l.append(p)

    for i in p_l:
        i.join()
    print('============》')

例子

事件 —— multiprocess.Event（了解）

python线程的事件用于主线程控制其他线程的执行，事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

    事件处理的机制：全局定义了一个“Flag”，如果“Flag”值为 False，那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞，如果“Flag”值为True，那么event.wait 方法时便不再阻塞。

clear：将“Flag”设置为False
set：将“Flag”设置为True

事件介绍

# 事件
# wait的方法 根据一个状态来决定自己是否要阻塞
# 状态相关的方法
# set 将状态改为T
# clear 将状态改为F
# is_set 判断当前的状态是否为T

import time
import random
from multiprocessing import Process,Event

def car(i,e):  # 感知状态的变化
    if not e.is_set():    # 当前这个事件的状态如果是False
        print('car%s正在等待'%i)  # 这辆车正在等待通过路口
    e.wait()    # 阻塞 直到有一个e.set行为  # 等红灯
    print('car%s通过路口'%i)

def traffic_light(e):  # 修改事件的状态
    print('33[1;31m红灯亮33[0m')
    # 事件在创立之初的状态是False，相当于我程序中的红灯
    time.sleep(2)  # 红灯亮2s
    while True:
        if not e.is_set():  # False
            print('33[1;32m绿灯亮33[0m')
            e.set()
        elif e.is_set():
            print('33[1;31m红灯亮33[0m')
            e.clear()
        time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
    e = Event()
    Process(target=traffic_light,args=[e,]).start()
    for i in range(50):
        time.sleep(random.randrange(0,5,2))
        Process(target=car,args=[i,e]).start()