Python中多進程與多執行緒實例（一）-Python教學-PHP中文網

一、背景

　　最近在Azkaban的測試工作中，需要在測試環境下模擬線上的調度場景進行穩定性測試。故而重操python舊業，透過python編寫腳本來建構類似線上的調度場景。在腳本編寫過程中，碰到這樣一個需求：要在測試環境中建立10000個作業流。

　　最開始的想法是在一個azkaban project下循環呼叫10000次create job介面（每個Flow只包含一個job）。由於azkaban它本身沒有增加/刪除作業流的接口，所有的作業流修改、增加、刪除其實都是透過重新上傳項目zip包實現的，相應地每次調猛獁前端的create job接口，實際上是在猛獁端對zip包的內容進行了重新的整合後再重新上傳zip包到azkaban，整個過程可以拆解成如下過程：解壓zip包獲得zip包內容，變更zip包內的文件內容，重新打包zip包，上傳到azkaban。因此，隨著循環次數越往後，zip套件包含的內容會越多，介面執行一次的時間就越長。實作發現，第一次調該介面的時間大致不到1秒，到循環1000次的時候介面呼叫一次的時間就達到了將近3秒。因此，如果指望一個循環10000次來構造該場景，顯然要耗費巨大的時間。

　　在此背景下，自然而然地就想到用多進程/多線程的方式來處理該問題。

二、「多任務」的作業系統基礎

　　大家都知道，作業系統可以同時執行多個任務。例如你一邊聽音樂，一邊聊IM，一邊寫部落格等。現在的cpu大都是多核心的，但即使是過去的單核心cpu也是支援多任務並行執行。

　　單核心cpu執行多任務的原理：作業系統交替輪流地執行各個任務。先讓任務1執行0.01秒，然後切換到任務2執行0.01秒，再切換到任務3執行0.01秒...這樣往復地執行下去。由於cpu的執行速度非常快，所以使用者的主觀感受就是這些任務在並行地執行。

　　多核心cpu執行多任務的原理：由於實際應用中，任務的數量往往遠超過cpu的核數，所以作業系統實際上是把這些多任務輪流地調度到每個核心上執行。

　　對作業系統來說，一個應用程式就是一個行程。例如打開一個瀏覽器，它是一個進程；打開一個記事本，它就是一個進程。每個進程都有它特定的進程號。他們共享系統的記憶體資源。進程是作業系統分配資源的最小單位。

　　而對於每一個進程而言，比如一個視頻播放器，它必須同時播放視頻和音頻，就至少需要同時運行兩個“子任務”，進程內的這些子任務就是通過線程來完成。執行緒是最小的執行單元。一個進程它可以包含多個線程，這些線程相互獨立，同時又共享進程所擁有的資源。

三、Python多進程程式設計

　　1. multiprocessing

　　multiprocessing是Python提供的一個跨平台的多進程模組，透過它可以很方便地編寫多進程程序，在不同的平台（Unix/Linux, Windows）都可以執行。

　　以下就是使用multiprocessing編寫多進程程式的程式碼：　　

#!/usr/bin/python# -*- coding: utf-8 -*author = &#39;zni.feng&#39;import  sys
reload (sys)
sys.setdefaultencoding(&#39;utf-8&#39;)from multiprocessing import Processimport osimport time#子进程fundef child_projcess_fun(name):    print &#39;Child process %s with processId %s starts.&#39; % (name, os.getpid())
    time.sleep(3)    print &#39;Child process %s with processId %s ends.&#39; % (name, os.getpid())if name == "main":    print &#39;Parent processId is: %s.&#39; % os.getpid()
    p = Process(target = child_projcess_fun, args=(&#39;zni&#39;,))    print &#39;Process starts&#39;
    p.start() #开始进程
    p.join() #等待子进程结束后再继续往下执行
    print &#39;Process ends.&#39;

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程式的輸出：

Parent processId is: 11076.
Process starts
Child process zni with processId 11077 starts.
Child process zni with processId 11077 ends.
Process ends.
[Finished in 3.1s]

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　　2. Pool

　　某些情況下，我們希望批量創建多個子進程，或給定子進程數的上限，避免無限地消耗系統的資源。透過Pool（進程池）的方式，就可以完成這項工作，以下是使用Pool的程式碼：

 1 #!/usr/bin/python 2 # -*- coding: utf-8 -* 3 author = &#39;zni.feng&#39; 4 import  sys 5 reload (sys) 6 sys.setdefaultencoding(&#39;utf-8&#39;) 7  8 from multiprocessing import Pool 9 import os, time10 11 def child_process_test(name, sleep_time):12     print &#39;Child process %s with processId %s starts.&#39; % (name, os.getpid())13     time.sleep(sleep_time)14     print &#39;Child process %s with processId %s ends.&#39; % (name, os.getpid())15 16 if name == "main":17     print &#39;Parent processId is: %s.&#39; % os.getpid()18     p = Pool()  #进程池默认大小是cpu的核数19     #p = Pool(10) #生成一个容量为10的进程池，即最大同时执行10个子进程20     for i in range(5):21         p.apply_async(child_process_test, args=(&#39;zni_&#39;+str(i), i+1,)) #p.apply_async向进程池提交目标请求22 23     print &#39;Child processes are running.&#39;24     p.close()25     p.join() #用来等待进程池中的所有子进程结束再向下执行代码，必须在p.close()或者p.terminate()之后执行26     print &#39;All Processes end.&#39;

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程式的輸出：

Parent processId is: 5050.
Child processes are running.
Child process zni_0 with processId 5052 starts.
Child process zni_1 with processId 5053 starts.
Child process zni_2 with processId 5054 starts.
Child process zni_3 with processId 5055 starts.
Child process zni_0 with processId 5052 ends.
Child process zni_4 with processId 5052 starts.
Child process zni_1 with processId 5053 ends.
Child process zni_2 with processId 5054 ends.
Child process zni_3 with processId 5055 ends.
Child process zni_4 with processId 5052 ends.
All Processes end.
[Finished in 6.2s]

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close()方法和terminate()方法的區別：

　　close：關閉進程池，使之不能再新增新的進程。已經執行的進程會等待繼續執行直到結束。

　　terminate：強制終止執行緒池，正在執行的程序也會被強制終止。

　　3. 進程間通訊

　　Python的multiprocessing模組提供了多種進程間通訊的方式，如Queue、Pipe等。

　　3.1 Queue、Lock

　　Queue是multiprocessing提供的模組，它的資料結構就是"FIFO－first in first out"的佇列，常用的方法有：put(object)入隊；get()出隊；empty()判斷隊列是否為空。

　　Lock：當多個子程序對同一個queue執行寫入操作時，為了避免並發操作產生衝突，可以透過加鎖的方式使得某個子程序對queue擁有唯一的寫入權限，其他子程序必須等待該鎖定釋放後才能再開始執行寫入操作。

　　以下就是使用Queue進行進程間通訊的程式碼：在父進程裡建立兩個子進程，分別實作queue的讀取和寫入操作

 1 #!/usr/bin/python 2 # -*- coding: utf-8 -* 3 author = &#39;zni.feng&#39; 4 import  sys 5 reload (sys) 6 sys.setdefaultencoding(&#39;utf-8&#39;) 7 from multiprocessing import Process, Queue, Lock 8 import os, time, random 9 #写数据进程10 def write(q, lock, name):11     print &#39;Child Process %s starts&#39; % name12     #获得锁13     lock.acquire()14     for value in [&#39;A&#39; , &#39;B&#39;, &#39;C&#39;]:15         print &#39;Put %s to queue...&#39; % value16         q.put(value)17         time.sleep(random.random())18     #释放锁19     lock.release()20     print &#39;Child Process %s ends&#39; % name21 22 #读数据进程23 def read(q, lock, name):24     print &#39;Child Process %s starts&#39; % name25     while True: #持续地读取q中的数据26         value =q.get()27         print &#39;Get %s from queue.&#39; % value28     print &#39;Child Process %s ends&#39; % name29 30 if name == "main":31     #父进程创建queue，并共享给各个子进程32     q= Queue()33     #创建锁34     lock = Lock()35     #创建第一个“写”子进程36     pw = Process(target = write , args=(q, lock, &#39;WRITE&#39;, ))37     #创建“读”进程38     pr = Process(target = read, args=(q,lock, &#39;READ&#39;,))39     #启动子进程pw,写入：40     pw.start()41     #启动子进程pr，读取：42     pr.start()43     #等待pw结束：44     pw.join()45     #pr是个死循环，通过terminate杀死：46     pr.terminate()47     print &#39;Test finish.&#39;

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　　程式的輸出結果為：

Child Process WRITE starts
Put A to queue...
Child Process READ starts
Get A from queue.
Put B to queue...
Get B from queue.
Put C to queue...
Get C from queue.
Child Process WRITE ends
Test finish.
[Finished in 2.0s]

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　　3.2 Pipe

　　Pipe是另一种进程间通信的方式，俗称“管道”。它由两端组成，一端往管道里写入数据，另一端从管道里读取数据。
　　下面就是使用Pipe通信的代码：

 1 #!/usr/bin/python 2 # -*- coding: utf-8 -* 3 author = &#39;zni.feng&#39; 4 import  sys 5 reload (sys) 6 sys.setdefaultencoding(&#39;utf-8&#39;) 7 from multiprocessing import Process, Pipe 8 import os, time, random 9 10 #发送数据进程11 def send(child_pipe, name):12     print &#39;Child Process %s starts&#39; % name13     child_pipe.send(&#39;This is Mr.Ni&#39;)14     child_pipe.close()15     time.sleep(random.random())16     print &#39;Child Process %s ends&#39; % name17 18 #接收数据进程19 def recv(parent_pipe, name):20     print &#39;Child Process %s starts&#39; % name21     print parent_pipe.recv()22     time.sleep(random.random())23     print &#39;Child Process %s ends&#39; % name24 25 if name == "main":26     #创建管道27     parent,child = Pipe()28     #创建send进程29     ps = Process(target=send, args=(child, &#39;SEND&#39;))30     #创建recv进程31     pr = Process(target=recv, args=(parent, &#39;RECEIVE&#39;))32     #启动send进程33     ps.start()34     #等待send进程结束35     ps.join()36     #启动recv进程37     pr.start()38     #等待recv进程结束39     pr.join()40     print &#39;Test finish.&#39;

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　　程序的输出结果如下：

Child Process SEND starts
Child Process SEND ends
Child Process RECEIVE starts
This is Mr.Ni
Child Process RECEIVE ends
Test finish.
[Finished in 1.8s]

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