Python编程-多进程一

一、python并发编程之多进程

1.multiprocessing模块介绍

python中的多线程无法利用多核优势，如果想要充分地使用多核CPU的资源（os.cpu_count()查看），在python中大部分情况需要使用多进程。Python提供了非常好用的多进程包multiprocessing。
multiprocessing模块用来开启子进程，并在子进程中执行我们定制的任务（比如函数），该模块与多线程模块threading的编程接口类似。
multiprocessing模块的功能众多：支持子进程、通信和共享数据、执行不同形式的同步，提供了Process、Queue、Pipe、Lock等组件。

需要再次强调的一点是：与线程不同，进程没有任何共享状态，进程修改的数据，改动仅限于该进程内。

2.Process类的介绍

（1）创建进程的类
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

（2）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

（3）方法介绍
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

（4）属性介绍
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）

3.Process类的使用

（1）创建并开启子进程的两种方式
注意：在windows中Process()必须放到# if __name__ == '__main__':下
由于Windows没有fork，多处理模块启动一个新的Python进程并导入调用模块。
如果在导入时调用Process（），那么这将启动无限继承的新进程（或直到机器耗尽资源）。
这是隐藏对Process（）内部调用的原理，使用if __name__ == '__main__'，这个if语句中的语句将不会在导入时被调用。

开进程的方法一:

import time
import random
from multiprocessing import Process
def piao(name):
    print('%s piaoing' %name)
    time.sleep(random.randrange(1,5))
    print('%s piao end' %name)

if __name__ == '__main__':
    p1=Process(target=piao,args=('egon',)) #必须加,号
    p2=Process(target=piao,args=('alex',))
    p3=Process(target=piao,args=('wupeqi',))
    p4=Process(target=piao,args=('yuanhao',))

    p1.start()
    p2.start()
    p3.start()
    p4.start()
    print('主线程')

运行结果：
主线程
egon piaoing
alex piaoing
wupeqi piaoing
yuanhao piaoing
alex piao end
yuanhao piao end
egon piao end
wupeqi piao end

开进程的方法二

import time
import random
from multiprocessing import Process

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

    def run(self):
        print('%s piaoing' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,5))
        print('%s piao end' %self.name)

if __name__ == '__main__':
    p1=Piao('egon')
    p2=Piao('alex')
    p3=Piao('wupeiqi')
    p4=Piao('yuanhao')

    p1.start() #start会自动调用run
    p2.start()
    p3.start()
    p4.start()
    print('主线程')

运行结果：
主线程
egon piaoing
alex piaoing
wupeiqi piaoing
yuanhao piaoing
egon piao end
alex piao end
wupeiqi piao end
yuanhao piao end

（2）练习1：把上周所学的socket通信变成并发的形式
server端

from socket import *
from multiprocessing import Process

server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)

def talk(conn,client_addr):
    while True:
        try:
            msg=conn.recv(1024)
            if not msg:break
            conn.send(msg.upper())
        except Exception:
            break

if __name__ == '__main__': #windows下start进程一定要写到这下面
    while True:
        conn,client_addr=server.accept()
        p=Process(target=talk,args=(conn,client_addr))
        p.start()

多个client端

from socket import *

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

while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if not msg:continue

    client.send(msg.encode('utf-8'))
    msg=client.recv(1024)
    print(msg.decode('utf-8'))

这么实现的问题：

每来一个客户端，都在服务端开启一个进程，如果并发来一个万个客户端，要开启一万个进程吗，你自己尝试着在你自己的机器上开启一万个，10万个进程试一试。
解决方法：进程池

4.Process对象的其他方法或属性

进程对象的其他方法一:terminate,is_alive

from multiprocessing import Process
import time
import random

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

    def run(self):
        print('%s is piaoing' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,5))
        print('%s is piao end' %self.name)

p1=Piao('egon1')
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
time.sleep(5)
print('开始')
print(p1.is_alive()) #结果为False

运行结果：
True
开始
False

进程对象的其他方法二:p.daemon=True,p.join

from multiprocessing import Process
import time
import random

class Piao(Process):
    def __init__(self,name):
        self.name=name
        super().__init__()
    def run(self):
        print('%s is piaoing' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,3))
        print('%s is piao end' %self.name)

p=Piao('egon')
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,并且父进程死,p跟着一起死
p.start()
p.join(0.0001) #等待p停止,等0.0001秒就不再等了
print('开始')

运行结果：
开始

from multiprocessing import Process

import time
import random
def piao(name):
    print('%s is piaoing' %name)
    time.sleep(random.randint(1,3))
    print('%s is piao end' %name)

p1=Process(target=piao,args=('egon',))
p2=Process(target=piao,args=('alex',))
p3=Process(target=piao,args=('yuanhao',))
p4=Process(target=piao,args=('wupeiqi',))

p1.start()
p2.start()
p3.start()
p4.start()

p1.join()
p2.join()
p3.join()
p4.join()

print('主线程')

有人会有疑问:既然join是等待进程结束,那么我像下面这样写,进程不就又变成串行的了吗?
当然不是了,必须明确：p.join()是让谁等？
很明显p.join()是让主线程等待p的结束，卡住的是主线程而绝非进程p，

详细解析如下：

进程只要start就会在开始运行了,所以p1-p4.start()时,系统中已经有四个并发的进程了
而我们p1.join()是在等p1结束,没错p1只要不结束主线程就会一直卡在原地,这也是问题的关键
join是让主线程等,而p1-p4仍然是并发执行的,p1.join的时候,其余p2,p3,p4仍然在运行,等p1.join结束,可能p2,p3,p4早已经结束了,这样p2.join,p3.join.p4.join直接通过检测，无需等待
所以4个join花费的总时间仍然是耗费时间最长的那个进程运行的时间

上述启动进程与join进程可以简写为：

p_l=[p1,p2,p3,p4]

for p in p_l:
    p.start()

for p in p_l:
    p.join()

进程对象的其他属性:name,pid

from multiprocessing import Process
import time
import random
class Piao(Process):
    def __init__(self,name):
        # self.name=name
        # super().__init__() #Process的__init__方法会执行self.name=Piao-1,
        #                    #所以加到这里,会覆盖我们的self.name=name

        #为我们开启的进程设置名字的做法
        super().__init__()
        self.name=name

    def run(self):
        print('%s is piaoing' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,3))
        print('%s is piao end' %self.name)

if __name__ == '__main__':
    p=Piao('egon')
    p.start()
    print('开始')
    print(p.pid) #查看pid

运行结果：
开始
3828
egon is piaoing
egon is piao end

进程之间数据不共享,但是共享同一套文件系统,所以访问同一个文件,或同一个打印终端,是没有问题的。

多进程共享一个打印终端
用python2测试看两个进程同时往一个终端打印,出现打印到一行的错误

from multiprocessing import Process
class Logger(Process):
    def __init__(self):
        super(Logger,self).__init__()
    def run(self):
        print(self.name)

if __name__ == '__main__':
    for i in range(100):
        l=Logger()
        l.start()

发现会有多行内容打印到一行的现象（多个进程共享并抢占同一个打印终端，乱了）

多进程共享一套文件系统
有的人会想到，既然可以用文件共享数据，那么进程间通信用文件作为数据传输介质就可以了啊，可以，但是有问题：1.效率 2.需要自己加锁处理

from multiprocessing import Process
import time,random

def work(filename,msg):
    with open(filename,'a+',encoding='utf-8') as f:
        f.write(msg)

if __name__ == '__main__':
    for i in range(5):
        p=Process(target=work,args=('a.txt','进程%s
' %str(i)))
        p.start()

5.进程间通信（IPC）方式一：队列

进程彼此之间互相隔离，要实现进程间通信，即IPC，multiprocessing模块支持两种形式：队列和管道，这两种方式都是使用消息传递的。
（1）创建队列的类（底层就是以管道和锁定的方式实现）
Queue([maxsize]):创建共享的进程队列，Queue是多进程安全的队列，可以使用Queue实现多进程之间的数据传递。

（2）参数介绍
maxsize是队列中允许最大项数，省略则无大小限制

（3）方法介绍
q.put方法用以插入数据到队列中，put方法还有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，该方法会阻塞timeout指定的时间，直到该队列有剩余的空间。如果超时，会抛出Queue.Full异常。如果blocked为False，但该Queue已满，会立即抛出Queue.Full异常。
q.get方法可以从队列读取并且删除一个元素。同样，get方法有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，那么在等待时间内没有取到任何元素，会抛出Queue.Empty异常。如果blocked为False，有两种情况存在，如果Queue有一个值可用，则立即返回该值，否则，如果队列为空，则立即抛出Queue.Empty异常.
q.get_nowait():同q.get(False)
q.put_nowait():同q.put(False)
q.empty():调用此方法时q为空则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中又加入了项目。
q.full()：调用此方法时q已满则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中的项目被取走。
q.qsize():返回队列中目前项目的正确数量，结果也不可靠，理由同q.empty()和q.full()一样

q.cancel_join_thread():不会在进程退出时自动连接后台线程。可以防止join_thread()方法阻塞
q.close():关闭队列，防止队列中加入更多数据。调用此方法，后台线程将继续写入那些已经入队列但尚未写入的数据，但将在此方法完成时马上关闭。如果q被垃圾收集，将调用此方法。关闭队列不会在队列使用者中产生任何类型的数据结束信号或异常。例如，如果某个使用者正在被阻塞在get()操作上，关闭生产者中的队列不会导致get()方法返回错误。
q.join_thread()：连接队列的后台线程。此方法用于在调用q.close()方法之后，等待所有队列项被消耗。默认情况下，此方法由不是q的原始创建者的所有进程调用。调用q.cancel_join_thread方法可以禁止这种行为

（4）应用（先进先出）

from multiprocessing import Process,Queue
q=Queue(3)  

q.put(3)
q.put(3)
q.put(3)
print(q.full()) #满了

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
print(q.empty()) #空了

运行结果：
True
3
3
3
True

from multiprocessing import Process,Queue
q=Queue(3)

q.put({'a':1})
q.put('b')
q.put('c')
print(q.full())
# q.put('d',False) #等同于q.put_nowait('d')
# q.put('d',timeout=2)
print(q.qsize())

# print(q.get())
# print(q.get())
# print(q.get())
# print(q.empty())
print(q.get(block=False))
print(q.get_nowait())
print(q.get(timeout=2))
print(q.empty())

运行结果：
True
3
{'a': 1}
b
c
True

6.生产者消费者模型

在并发编程中使用生产者和消费者模式能够解决绝大多数并发问题。该模式通过平衡生产线程和消费线程的工作能力来提高程序的整体处理数据的速度。

（1）为什么要使用生产者和消费者模式
在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这个问题于是引入了生产者和消费者模式。

（2）什么是生产者消费者模式
生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。

from multiprocessing import Process,Queue
import time
import random

def consumer(q,name):
    while True:
        time.sleep(random.randint(1,3))
        res=q.get()
        print('33[41m消费者 %s 拿到了 %s33[0m' %(name,res))

def producer(seq,q,name):
    for item in seq:
        time.sleep(random.randint(1,3))
        q.put(item)
        print('33[42m生产者 %s 生产了 %s33[0m' %(name,item))

if __name__ == '__main__':
    q=Queue()
    c=Process(target=consumer,args=(q,'egon'),)
    c.start()

    seq=['包子%s' %i for i in range(5)]
    producer(seq,q,'厨师1')

    print('主进程')

运行结果：
生产者 厨师1 生产了 包子0
生产者 厨师1 生产了 包子1
生产者 厨师1 生产了 包子2
消费者 egon 拿到了 包子0
消费者 egon 拿到了 包子1
消费者 egon 拿到了 包子2
生产者 厨师1 生产了 包子3
消费者 egon 拿到了 包子3
生产者 厨师1 生产了 包子4
主进程
消费者 egon 拿到了 包子4

from multiprocessing import Process,Queue
import time
import random

def consumer(q,name):
    while True:
        time.sleep(random.randint(1,3))
        res=q.get()
        if res is None:break
        print('33[41m消费者 %s 拿到了 %s33[0m' %(name,res))

def producer(seq,q,name):
    for item in seq:
        time.sleep(random.randint(1,3))
        q.put(item)
        print('33[42m生产者 %s 生产了 %s33[0m' %(name,item))
    q.put(None)

if __name__ == '__main__':
    q=Queue()
    c=Process(target=consumer,args=(q,'egon'),)
    c.start()

    seq=['包子%s' %i for i in range(5)]
    p=Process(target=producer,args=(seq,q,'厨师1'))
    p.start()

    print('主进程')

运行结果：
主进程
生产者 厨师1 生产了 包子0
消费者 egon 拿到了 包子0
生产者 厨师1 生产了 包子1
生产者 厨师1 生产了 包子2
生产者 厨师1 生产了 包子3
消费者 egon 拿到了 包子1
生产者 厨师1 生产了 包子4
消费者 egon 拿到了 包子2
消费者 egon 拿到了 包子3
消费者 egon 拿到了 包子4

from multiprocessing import Process,JoinableQueue
import time
import random

def consumer(q,name):
    while True:
        # time.sleep(random.randint(1,3))
        res=q.get()
        q.task_done()
        print('33[41m消费者 %s 拿到了 %s33[0m' %(name,res))

def producer(seq,q,name):
    for item in seq:
        # time.sleep(random.randint(1,3))
        q.put(item)
        print('33[42m生产者 %s 生产了 %s33[0m' %(name,item))
    q.join()
    print('============>>')

if __name__ == '__main__':
    q=JoinableQueue()
    c=Process(target=consumer,args=(q,'egon'),)
    c.daemon=True #设置守护进程，主进程结束c就结束
    c.start()

    seq=['包子%s' %i for i in range(5)]
    p=Process(target=producer,args=(seq,q,'厨师1'))
    p.start()

    # master--->producer----->q--->consumer(10次task_done)
    p.join() #主进程等待p结束，p等待c把数据都取完，c一旦取完数据,p.join就是不再阻塞,进
    # 而主进程结束,主进程结束会回收守护进程c,而且c此时也没有存在的必要了
    print('主进程')

运行结果：
生产者 厨师1 生产了 包子0
生产者 厨师1 生产了 包子1
生产者 厨师1 生产了 包子2
消费者 egon 拿到了 包子0
生产者 厨师1 生产了 包子3
生产者 厨师1 生产了 包子4
消费者 egon 拿到了 包子1
消费者 egon 拿到了 包子2
消费者 egon 拿到了 包子3
============>>
消费者 egon 拿到了 包子4
主进程

（3）创建队列的另外一个类
JoinableQueue([maxsize])：这就像是一个Queue对象，但队列允许项目的使用者通知生成者项目已经被成功处理。通知进程是使用共享的信号和条件变量来实现的。

参数介绍：
maxsize是队列中允许最大项数，省略则无大小限制。

方法介绍：
JoinableQueue的实例p除了与Queue对象相同的方法之外还具有：
q.task_done()：使用者使用此方法发出信号，表示q.get()的返回项目已经被处理。如果调用此方法的次数大于从队列中删除项目的数量，将引发ValueError异常
q.join():生产者调用此方法进行阻塞，直到队列中所有的项目均被处理。阻塞将持续到队列中的每个项目均调用q.task_done（）方法为止

from multiprocessing import Process,JoinableQueue
def consumer(q):
    while True:
        # time.sleep(random.randint(1,2))
        res=q.get()
        print('消费者拿到了 %s' %res)
        q.task_done()

def producer(seq,q):
    for item in seq:
        # time.sleep(random.randrange(1,2))
        q.put(item)
        print('生产者做好了 %s' %item)
    q.join()

if __name__ == '__main__':
    q=JoinableQueue()
    seq=('包子%s' %i for i in range(5))

    p=Process(target=consumer,args=(q,))
    p.daemon=True #设置为守护进程，在主线程停止时p也停止，但是不用担心，producer内调用q.join保证了consumer已经处理完队列中的所有元素
    p.start()

    producer(seq,q)

    print('主线程')

运行结果：
生产者做好了 包子0
生产者做好了 包子1
生产者做好了 包子2
生产者做好了 包子3
生产者做好了 包子4
消费者拿到了 包子0
消费者拿到了 包子1
消费者拿到了 包子2
消费者拿到了 包子3
消费者拿到了 包子4
主线程

一个生产者+多个消费者

from multiprocessing import Process,JoinableQueue
import time,random
def consumer(name,q):
    while True:
        time.sleep(random.randint(1,2))
        res=q.get()
        print('33[45m%s拿到了 %s33[0m' %(name,res))
        q.task_done()

def producer(seq,q):
    for item in seq:
        time.sleep(random.randrange(1,2))
        q.put(item)
        print('33[46m生产者做好了 %s33[0m' %item)
    q.join()

if __name__ == '__main__':
    q=JoinableQueue()
    seq=('包子%s' %i for i in range(5))

    p1=Process(target=consumer,args=('消费者1',q,))
    p2=Process(target=consumer,args=('消费者2',q,))
    p3=Process(target=consumer,args=('消费者3',q,))
    p1.daemon=True
    p2.daemon=True
    p3.daemon=True
    p1.start()
    p2.start()
    p3.start()

    producer(seq,q)

    print('主线程')

运行结果：
生产者做好了 包子0
消费者2拿到了 包子0
生产者做好了 包子1
消费者3拿到了 包子1
生产者做好了 包子2
消费者2拿到了 包子2
生产者做好了 包子3
消费者1拿到了 包子3
生产者做好了 包子4
消费者3拿到了 包子4
主线程

开启一个新的子进程当生产者，不用主线程当生产者

from multiprocessing import Process,JoinableQueue
def consumer(name,q):
    while True:
        # time.sleep(random.randint(1,2))
        res=q.get()
        print('33[45m%s拿到了 %s33[0m' %(name,res))
        q.task_done()

def producer(seq,q):
    for item in seq:
        # time.sleep(random.randrange(1,2))
        q.put(item)
        print('33[46m生产者做好了 %s33[0m' %item)
    q.join()

if __name__ == '__main__':
    q=JoinableQueue()
    seq=['包子%s' %i for i in range(5)] #在windows下无法传入生成器，我们可以用列表解析测试

    p1=Process(target=consumer,args=('消费者1',q,))
    p2=Process(target=consumer,args=('消费者2',q,))
    p3=Process(target=consumer,args=('消费者3',q,))
    p1.daemon=True
    p2.daemon=True
    p3.daemon=True
    p1.start()
    p2.start()
    p3.start()

    # producer(seq,q) #也可以是下面三行的形式，开启一个新的子进程当生产者，不用主线程当生产者
    p4=Process(target=producer,args=(seq,q))
    p4.start()
    p4.join()
    print('主线程')

生产者做好了 包子0
生产者做好了 包子1
消费者1拿到了 包子0
生产者做好了 包子2
生产者做好了 包子3
消费者2拿到了 包子1
生产者做好了 包子4
消费者3拿到了 包子2
消费者1拿到了 包子3
消费者2拿到了 包子4
主线程