多线程、多进程 and 多协程

多线程、多进程 and 多协程之前，先了解什么是并发和并行：

• 并发：指的是任务数多余cpu核数，通过操作系统的各种任务调度算法，实现用多个任务“一起”执行（实际上总有一些任务不在执行，因为切换任务的速度相当快，看上去一起执行而已）
• 并行：指的是任务数小于等于cpu核数，即任务真的是一起执行的。

三者区别：

1. 进程是资源分配的单位
2. 线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.
3. 进程切换需要的资源最大，效率很低
4. 线程切换需要的资源一般，效率一般（当然了在不考虑GIL的情况下）
5. 一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.
6. 线程的划分尺度小于进程(资源比进程少)，使得多线程程序的并发性高。
7. 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率
8. 协程切换任务资源很小，效率高
9. 多进程、多线程根据cpu核数不一样可能是并行的，但是协程是在一个线程中 所以是并发

线程

python的thread模块是比较底层的模块，python的threading模块是对thread做了一些包装的，可以更加方便的被使用

1、单线程

#coding=utf-8
import time

def saySorry():
    print("亲爱的，我错了，我能吃饭了吗？")
    time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    for i in range(5):
        saySorry()

2、多线程

#coding=utf-8
import threading
from time import sleep,ctime

def saySorry():
    for i in range(3):
        print("亲爱的，我错%d次，我能吃饭了吗？"% i ) 
        sleep(1)

def sayReply():
    for i in range(3):
        print("滚去跪键盘%d次"% i )
        sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    print('---开始---:%s'%ctime())

    t1 = threading.Thread(target=saySorry)
    t2 = threading.Thread(target=sayReply)

    t1.start()   #启动线程1，即让线程开始执行
    t2.start()    #启动线程2，即让线程开始执行



    # 查看线程数量
    while True:
        length = len(threading.enumerate())
        print('当前运行的线程数为：%d'%length)
        if length<=1:
            break

        sleep(0.5)

    #sleep(5) # 屏蔽此行代码，试试看，程序是否会立马结束？
    print('---结束---:%s'%ctime())

3、线程代码的封装

通过使用threading模块能完成多任务的程序开发，为了让每个线程的封装性更完美，所以使用threading模块时定义一个新的子类class，只要继承threading.Thread就可以了，然后重写run方法

#coding=utf-8
import threading
import time

class MyThread(threading.Thread):
    def run(self):
        for i in range(3):
            time.sleep(1)
            msg = "I'm "+self.name+' @ '+str(i) #name属性中保存的是当前线程的名字
            print(msg)


if __name__ == '__main__':
    t = MyThread()
    t.start()

注：

1. 每个线程默认有一个名字，尽管上面的例子中没有指定线程对象的name，但是python会自动为线程指定一个名字。
2. 当线程的run()方法结束时该线程完成。
3. 无法控制线程调度程序，但可以通过别的方式来影响线程调度的方式。

4、线程锁的应用

　　　　如果多个线程同时对同一个全局变量操作，会出现资源竞争问题，从而数据结果会不正确，因此需要用到线程锁

　　4.1 互斥锁　

　　　　线程同步能够保证多个线程安全访问竞争资源，最简单的同步机制是引入互斥锁。

　　　　互斥锁为资源引入一个状态：锁定/非锁定

　　　　某个线程要更改共享数据时，先将其锁定，此时资源的状态为“锁定”，其他线程不能更改；直到该线程释放资源，将资源的状态变成“非锁定”，其他的线程才能再次锁定该资源。互斥锁保证了每次只有一个线程进行写入操作，从而保证了多线程情况下数据的正确性。

　　threading模块中定义了Lock类，可以方便的处理锁定：

　　

import threading
import time

g_num = 0

def test1(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        # 如果这个锁之前是没有上锁的，那么acquire不会堵塞
        #如果在调用acquire对这个锁上锁之前 它已经被 其他线程上了锁，那么此时acquire会堵塞，直到这个锁被解锁为止
        mutex.acquire()  # 上锁
        g_num += 1
        mutex.release()  # 解锁，

    print("---test1---g_num=%d" % g_num)

def test2(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        mutex.acquire()  # 上锁
        g_num += 1
        mutex.release()  # 解锁

    print("---test2---g_num=%d"%g_num)

# 创建一个互斥锁
# 默认是未上锁的状态
mutex = threading.Lock()

# 创建2个线程，让他们各自对g_num加1000000次
p1 = threading.Thread(target=test1, args=(1000000,))
p1.start()

p2 = threading.Thread(target=test2, args=(1000000,))
p2.start()

# 等待计算完成
while len(threading.enumerate()) != 1:
    time.sleep(1)

print("2个线程对同一个全局变量操作之后的最终结果是:%s" % g_num)    

锁的好处：

• 确保了某段关键代码只能由一个线程从头到尾完整地执行

锁的坏处：

• 阻止了多线程并发执行，包含锁的某段代码实际上只能以单线程模式执行，效率就大大地下降了
• 由于可以存在多个锁，不同的线程持有不同的锁，并试图获取对方持有的锁时，可能会造成死锁

进程

　　程序：例如xxx.py这是程序，是一个静态的

　　进程：一个程序运行起来后，代码+用到的资源 称之为进程，它是操作系统分配资源的基本单元。

　　不仅可以通过线程完成多任务，进程也是可以的

1、进程代码实现

# -*- coding:utf-8 -*-
from multiprocessing import Process
import os
from time import sleep


def run_proc(name, age, **kwargs):
    for i in range(10):
        print('子进程运行中，name= %s,age=%d ,pid=%d...' % (name, age, os.getpid()))   # os.getpid获取当前进程的进程号
        print(kwargs)
        sleep(0.2)

if __name__=='__main__':
    p = Process(target=run_proc, args=('test',18), kwargs={"m":20})
    p.start()
    sleep(1)  # 1秒中之后，立即结束子进程
    p.terminate()
    p.join()

2. Process语法结构

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])

• target：如果传递了函数的引用，可以任务这个子进程就执行这里的代码
• args：给target指定的函数传递的参数，以元组的方式传递
• kwargs：给target指定的函数传递命名参数
• name：给进程设定一个名字，可以不设定
• group：指定进程组，大多数情况下用不到

Process创建的实例对象的常用方法：

• start()：启动子进程实例（创建子进程）
• is_alive()：判断进程子进程是否还在活着
• 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创建的实例对象的常用属性：

• name：当前进程的别名，默认为Process-N，N为从1开始递增的整数
• pid：当前进程的pid（进程号）

3、进程间通信-Queue   

　　进程间不共享全局变量

　　1、使用multiprocessing模块的Queue实现多进程之间的数据传递，Queue本身是一个消息列队程序　　

#coding=utf-8
from multiprocessing import Queue
q=Queue(3) #初始化一个Queue对象，最多可接收三条put消息   
# 初始化Queue()对象时（例如：q=Queue()），若括号中没有指定最大可接收的消息数量，或数量为负值，那么就代表可接受的消息数量没有上限（直到内存的尽头）

q.put("消息1") 
q.put("消息2")
print(q.full())  #False
q.put("消息3")
print(q.full()) #True

#因为消息列队已满下面的try都会抛出异常，第一个try会等待2秒后再抛出异常，第二个Try会立刻抛出异常
try:
    q.put("消息4",True,2)
except:
    print("消息列队已满，现有消息数量:%s"%q.qsize())

try:
    q.put_nowait("消息4")
except:
    print("消息列队已满，现有消息数量:%s"%q.qsize())

#推荐的方式，先判断消息列队是否已满，再写入
if not q.full():
    q.put_nowait("消息4")

#读取消息时，先判断消息列队是否为空，再读取
if not q.empty():
    for i in range(q.qsize()):
        print(q.get_nowait())

• Queue.qsize()：返回当前队列包含的消息数量；

• Queue.empty()：如果队列为空，返回True，反之False ；

• Queue.full()：如果队列满了，返回True,反之False；

• Queue.get([block[, timeout]])：获取队列中的一条消息，然后将其从列队中移除，block默认值为True；

• Queue.get_nowait()：相当Queue.get(False)；

1）如果block使用默认值，且没有设置timeout（单位秒），消息列队如果为空，此时程序将被阻塞（停在读取状态），直到从消息列队读到消息为止，如果设置了timeout，则会等待timeout秒，若还没读取到任何消息，则抛出"Queue.Empty"异常；

2）如果block值为False，消息列队如果为空，则会立刻抛出"Queue.Empty"异常；

• Queue.put(item,[block[, timeout]])：将item消息写入队列，block默认值为True；

• Queue.put_nowait(item)：相当Queue.put(item, False)；

1）如果block使用默认值，且没有设置timeout（单位秒），消息列队如果已经没有空间可写入，此时程序将被阻塞（停在写入状态），直到从消息列队腾出空间为止，如果设置了timeout，则会等待timeout秒，若还没空间，则抛出"Queue.Full"异常；

2）如果block值为False，消息列队如果没有空间可写入，则会立刻抛出"Queue.Full"异常；

实例：

from multiprocessing import Process, Queue
import os, time, random

# 写数据进程执行的代码:
def write(q):
    for value in ['A', 'B', 'C']:
        print('Put %s to queue...' % value)
        q.put(value)
        time.sleep(random.random())

# 读数据进程执行的代码:
def read(q):
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print('Get %s from queue.' % value)
            time.sleep(random.random())
        else:
            break

if __name__=='__main__':
    # 父进程创建Queue，并传给各个子进程：
    q = Queue()
    pw = Process(target=write, args=(q,))
    pr = Process(target=read, args=(q,))
    # 启动子进程pw，写入:
    pw.start()    
    # 等待pw结束:
    pw.join()
    # 启动子进程pr，读取:
    pr.start()
    pr.join()
    # pr进程里是死循环，无法等待其结束，只能强行终止:
    print('')
    print('所有数据都写入并且读完')

4、进程池Pool

当需要创建的子进程数量不多时，可以直接利用multiprocessing中的Process动态生成多个进程，但如果是上百甚至上千个目标，手动的去创建进程的工作量巨大，此时就可以用到multiprocessing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，如果池还没有满，那么就会创建一个新的进程用来执行该请求；但如果池中的进程数已经达到指定的最大值，那么该请求就会等待，直到池中有进程结束，才会用之前的进程来执行新的任务。

multiprocessing.Pool常用函数解析：

• apply_async(func[, args[, kwds]]) ：使用非阻塞方式调用func（并行执行，堵塞方式必须等待上一个进程退出才能执行下一个进程），args为传递给func的参数列表，kwds为传递给func的关键字参数列表；
• close()：关闭Pool，使其不再接受新的任务；
• terminate()：不管任务是否完成，立即终止；
• join()：主进程阻塞，等待子进程的退出， 必须在close或terminate之后使用；

# -*- coding:utf-8 -*-
from multiprocessing import Pool
import os, time, random

def worker(msg):
    t_start = time.time()
    print("%s开始执行,进程号为%d" % (msg,os.getpid()))
    # random.random()随机生成0~1之间的浮点数
    time.sleep(random.random()*2) 
    t_stop = time.time()
    print(msg,"执行完毕，耗时%0.2f" % (t_stop-t_start))

po = Pool(3)  # 定义一个进程池，最大进程数3
for i in range(0,10):
    # Pool().apply_async(要调用的目标,(传递给目标的参数元祖,))
    # 每次循环将会用空闲出来的子进程去调用目标
    po.apply_async(worker,(i,))

print("----start----")
po.close()  # 关闭进程池，关闭后po不再接收新的请求
po.join()  # 等待po中所有子进程执行完成，必须放在close语句之后
print("-----end-----")

5、进程池中的Queue

如果要使用Pool创建进程，就需要使用multiprocessing.Manager()中的Queue()，而不是multiprocessing.Queue()，否则会得到一条如下的错误信息：

RuntimeError: Queue objects should only be shared between processes through inheritance.

# -*- coding:utf-8 -*-

# 修改import中的Queue为Manager
from multiprocessing import Manager,Pool
import os,time,random

def reader(q):
    print("reader启动(%s),父进程为(%s)" % (os.getpid(), os.getppid()))
    for i in range(q.qsize()):
        print("reader从Queue获取到消息：%s" % q.get(True))

def writer(q):
    print("writer启动(%s),父进程为(%s)" % (os.getpid(), os.getppid()))
    for i in "itcast":
        q.put(i)

if __name__=="__main__":
    print("(%s) start" % os.getpid())
    q = Manager().Queue()  # 使用Manager中的Queue
    po = Pool()
    po.apply_async(writer, (q,))

    time.sleep(1)  # 先让上面的任务向Queue存入数据，然后再让下面的任务开始从中取数据

    po.apply_async(reader, (q,))
    po.close()
    po.join()
    print("(%s) End" % os.getpid())

协程

协程是python个中另外一种实现多任务的方式，只不过比线程更小占用更小执行单元（理解为需要的资源）。 为啥说它是一个执行单元，因为它自带CPU上下文。这样只要在合适的时机， 我们可以把一个协程 切换到另一个协程。 只要这个过程中保存或恢复 CPU上下文那么程序还是可以运行的。

协程和线程差异

在实现多任务时, 线程切换从系统层面远不止保存和恢复 CPU上下文这么简单。 操作系统为了程序运行的高效性每个线程都有自己缓存Cache等等数据，操作系统还会帮你做这些数据的恢复操作。 所以线程的切换非常耗性能。但是协程的切换只是单纯的操作CPU的上下文，所以一秒钟切换个上百万次系统都抗的住。

1、利用yield实现协程

import time

def work1():
    while True:
        print("----work1---")
        yield
        time.sleep(0.5)

def work2():
    while True:
        print("----work2---")
        yield
        time.sleep(0.5)

def main():
    w1 = work1()
    w2 = work2()
    while True:
        next(w1)
        next(w2)

if __name__ == "__main__":
    main()

2、利用greenlet实现协程

　　python中的greenlet模块对其yield封装，从而使得切换任务变的更加简单

3、利用gevent实现协程

　　greenlet已经实现了协程，但是这个需要人工切换，，python还有一个比greenlet更强大的并且能够自动切换任务的模块gevent

　　其原理是当一个greenlet遇到IO(指的是input output 输入输出，比如网络、文件操作等)操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。

　　由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO

pip3 install gevent

from gevent import monkey
import gevent
import random
import time


# 有耗时操作时需要
monkey.patch_all()  # 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

def coroutine_work(coroutine_name):
    for i in range(10):
        print(coroutine_name, i)
        #用来模拟一个耗时操作，注意不是time模块中的sleep
        gevent.sleep(1)
        # time.sleep(random.random())

gevent.joinall([
        gevent.spawn(coroutine_work, "work1"),
        gevent.spawn(coroutine_work, "work2")
])