Python系统编程之进程

1，何为进程？

我们可以理解为：每一个任务都是一个进程。
打个比方，一在个视频，唱歌和跳舞这2件事情分别就是两个任务，如果是单个进程单个线程的话，理论上也就是在唱歌的时候不能跳舞，跳舞的时候不能唱歌，这是不是很尴尬。所以，我们一般来说，都希望能同时运行多个进程多个线程。线程我们暂且不讲，接下来讲下进程。

2，进程跟CPU的关系

一般来说，单核的CPU只有一个进程。但为什么我们也能看到单核的电脑也能同时运行多个程序呢？
答案就是操作系统轮流让各个任务交替执行。比如：任务1执行0.01秒，切换到任务2，任务2执行0.01秒，再切换到任务3，执行0.01秒……这样反复执行下去。表面上看，每个任务都是交替执行的，但是，由于CPU的执行速度实在是太快了，我们感觉就像所有任务都在同时执行一样。这个也就是线程切换。单个进程多个线程。
真正的并行执行多任务只能在多核CPU上实现，但是，由于任务数量远远多于CPU的核心数量，所以，操作系统也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行。也就是我们熟知的多进程多线程。（买电脑的时候可以参考这个哦）

3，进程的创建-fork

3.1 进程 VS 程序
编写完毕的代码，在没有运行的时候，称之为程序

正在运行着的代码，就成为进程

进程，除了包含代码以外，还有需要运行的环境等，所以和程序是有区别的

3.2 fork( )
Python的os模块封装了常见的系统调用，其中就包括fork，可以在Python程序中轻松创建子进程：

import os

    # 注意，fork函数，只在Unix/Linux/Mac上运行，windows不可以
    pid = os.fork()

    if pid == 0:
        print('哈哈1')
    else:
        print('哈哈2')

执行程序会发现，两个print语句几乎同时执行。
说明：

• 程序执行到os.fork()时，操作系统会创建一个新的进程（子进程），然后复制父进程的所有信息到子进程中
• 然后父进程和子进程都会从fork()函数中得到一个返回值，在子进程中这个值一定是0，而父进程中是子进程的 id号
  在Unix/Linux操作系统中，提供了一个fork()系统函数，它非常特殊。

普通的函数调用，调用一次，返回一次，但是fork()调用一次，返回两次，因为操作系统自动把当前进程（称为父进程）复制了一份（称为子进程），然后，分别在父进程和子进程内返回。

子进程永远返回0，而父进程返回子进程的ID。

这样做的理由是，一个父进程可以fork出很多子进程，所以，父进程要记下每个子进程的ID，而子进程只需要调用getppid()就可以拿到父进程的ID。

3.3 getpid()、getppid()

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import os

rpid = os.fork()
if rpid<0:
    print("fork调用失败。")
elif rpid == 0:
    print("我是子进程（%s），我的父进程是（%s）"%(os.getpid(),os.getppid()))
    x+=1
else:
    print("我是父进程（%s），我的子进程是（%s）"%(os.getpid(),rpid))

print("父子进程都可以执行这里的代码")

运行结果：

我是父进程（19360），我的子进程是（19361）
父子进程都可以执行这里的代码
我是子进程（19361），我的父进程是（19360）
父子进程都可以执行这里的代码

4，多进程修改全局变量

#coding=utf-8
import os
import time

num = 0

# 注意，fork函数，只在Unix/Linux/Mac上运行，windows不可以
pid = os.fork()

if pid == 0:
    num+=1
    print('哈哈1---num=%d'%num)
else:
    time.sleep(1)
    num+=1
    print('哈哈2---num=%d'%num)

运行结果：

'哈哈1---num=1
'哈哈2---num=1

注意：
多进程中，每个进程中所有数据（包括全局变量）都各有拥有一份，互不影响

5，多次fork问题

#coding=utf-8
import os
import time

# 注意，fork函数，只在Unix/Linux/Mac上运行，windows不可以
pid = os.fork()
if pid == 0:
    print('哈哈1')
else:
    print('哈哈2')

pid = os.fork()
if pid == 0:
    print('哈哈3')
else:
    print('哈哈4')

time.sleep(1)

运行结果：

哈哈2
哈哈4
哈哈3
哈哈1
哈哈4
哈哈3

说明：

父子进程的执行顺序
父进程、子进程执行顺序没有规律，完全取决于操作系统的调度算法

6，进程创建–multiprocessing

前面说了，fork()无法再Windows中使用，那么Python就不能再Windows上编写多进程的代码了吗？
答案当然是个大写的 NO！
由于Python是跨平台的，自然也应该提供一个跨平台的多进程支持。multiprocessing模块就是跨平台版本的多进程模块。
multiprocessing模块提供了一个Process类来代表一个进程对象，下面的例子演示了启动一个子进程并等待其结束：

#coding=utf-8
from multiprocessing import Process
import os

# 子进程要执行的代码
def run_proc(name):
    print('子进程运行中，name= %s ,pid=%d...' % (name, os.getpid()))

if __name__=='__main__':
    print('父进程 %d.' % os.getpid())
    p = Process(target=run_proc, args=('test',))
    print('子进程将要执行')
    p.start()
    p.join()
    print('子进程已结束')

运行结果:

父进程 12826
子进程将要执行
子进程运行中，name= test ,pid=12827...
子进程已结束 

说明：
创建子进程时，只需要传入一个执行函数和函数的参数，创建一个Process实例，用start()方法启动，这样创建进程比fork()还要简单，不需要判断fork()的返回值来认为的区别函数父子进程操作。
join()方法可以等待子进程结束后再继续往下运行，通常用于进程间的同步。

Process语法结构如下：

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

• target：表示这个进程实例所调用对象；
• args：表示调用对象的位置参数元组；
• kwargs：表示调用对象的关键字参数字典；
• name：为当前进程实例的别名；
• group：进程组。大多数情况下用不到；

Process类常用方法：

• is_alive()：判断进程实例是否还在执行；
• join([timeout])：是否等待进程实例执行结束，或等待多少秒；
• start()：启动进程实例（创建子进程）；
• run()：如果没有给定target参数，对这个对象调用start()方法时，就将执行对象中的run()方法；
• terminate()：不管任务是否完成，立即终止；

Process类常用属性：

• name：当前进程实例别名，默认为Process-N，N为从1开始递增的整数；
• pid：当前进程实例的PID值；

实例1

from multiprocessing import Process
import os
from time import sleep

# 子进程要执行的代码
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()))
        print(kwargs)
        sleep(0.5)

if __name__=='__main__':
    print('父进程 %d.' % os.getpid())
    p = Process(target=run_proc, args=('test',18), kwargs={"m":20})
    print('子进程将要执行')
    p.start()
    sleep(1)
    p.terminate()
    p.join()
    print('子进程已结束')

实例2

#coding=utf-8
from multiprocessing import Process
import time
import os

#两个子进程将会调用的两个方法
def  worker_1(interval):
    print("worker_1,父进程(%s),当前进程(%s)"%(os.getppid(),os.getpid()))
    t_start = time.time()
    time.sleep(interval) #程序将会被挂起interval秒
    t_end = time.time()
    print("worker_1,执行时间为'%0.2f'秒"%(t_end - t_start))

def  worker_2(interval):
    print("worker_2,父进程(%s),当前进程(%s)"%(os.getppid(),os.getpid()))
    t_start = time.time()
    time.sleep(interval)
    t_end = time.time()
    print("worker_2,执行时间为'%0.2f'秒"%(t_end - t_start))

#输出当前程序的ID
print("进程ID：%s"%os.getpid())

#创建两个进程对象，target指向这个进程对象要执行的对象名称，
#args后面的元组中，是要传递给worker_1方法的参数，
#因为worker_1方法就一个interval参数，这里传递一个整数2给它，
#如果不指定name参数，默认的进程对象名称为Process-N，N为一个递增的整数
p1=Process(target=worker_1,args=(2,))
p2=Process(target=worker_2,name="dongGe",args=(1,))

#使用"进程对象名称.start()"来创建并执行一个子进程，
#这两个进程对象在start后，就会分别去执行worker_1和worker_2方法中的内容
p1.start()
p2.start()

#同时父进程仍然往下执行，如果p2进程还在执行，将会返回True
print("p2.is_alive=%s"%p2.is_alive())

#输出p1和p2进程的别名和pid
print("p1.name=%s"%p1.name)
print("p1.pid=%s"%p1.pid)
print("p2.name=%s"%p2.name)
print("p2.pid=%s"%p2.pid)

#join括号中不携带参数，表示父进程在这个位置要等待p1进程执行完成后，
#再继续执行下面的语句，一般用于进程间的数据同步，如果不写这一句，
#下面的is_alive判断将会是True，在shell（cmd）里面调用这个程序时
#可以完整的看到这个过程，大家可以尝试着将下面的这条语句改成p1.join(1)，
#因为p2需要2秒以上才可能执行完成，父进程等待1秒很可能不能让p1完全执行完成，
#所以下面的print会输出True，即p1仍然在执行
p1.join()
print("p1.is_alive=%s"%p1.is_alive())

执行结果:

进程ID：19866
p2.is_alive=True
p1.name=Process-1
p1.pid=19867
p2.name=dongGe
p2.pid=19868
worker_1,父进程(19866),当前进程(19867)
worker_2,父进程(19866),当前进程(19868)
worker_2,执行时间为'1.00'秒
worker_1,执行时间为'2.00'秒
p1.is_alive=False

7，进程创建-Process子类

这是以面对对象的思想去创建进程。我们可以自定义一个类，继承Process类，每次实例化这个类的时候，就等同于实例化一个进程对象，请看下面的实例：

from multiprocessing import Process
import time
import os

#继承Process类
class Process_Class(Process):
    #继承父类的方
    def __init__(self,interval):
        super().__init__()
        self.interval = interval

    #重写了Process类的run()方法
    def run(self):
        print("子进程(%s) 开始执行，父进程为（%s）"%(os.getpid(),os.getppid()))
        t_start = time.time()
        time.sleep(self.interval)
        t_stop = time.time()
        print("(%s)执行结束，耗时%0.2f秒"%(os.getpid(),t_stop-t_start))

if __name__=="__main__":
    t_start = time.time()
    print("当前程序进程(%s)"%os.getpid())        
    p1 = Process_Class(2)
    #对一个不包含target属性的Process类执行start()方法，就会运行这个类中的run()方法，所以这里会执行p1.run()
    p1.start()
    p1.join()
    t_stop = time.time()
    print("(%s)执行结束，耗时%0.2f"%(os.getpid(),t_stop-t_start))

8，进程池

当需要创建的子进程数量不多时，可以直接利用multiprocessing中的Process动态成生多个进程，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，才会创建新的进程来执行，请看下面的实例：

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-----")

运行结果:

----start----
0开始执行,进程号为21466
1开始执行,进程号为21468
2开始执行,进程号为21467
0 执行完毕，耗时1.01
3开始执行,进程号为21466
2 执行完毕，耗时1.24
4开始执行,进程号为21467
3 执行完毕，耗时0.56
5开始执行,进程号为21466
1 执行完毕，耗时1.68
6开始执行,进程号为21468
4 执行完毕，耗时0.67
7开始执行,进程号为21467
5 执行完毕，耗时0.83
8开始执行,进程号为21466
6 执行完毕，耗时0.75
9开始执行,进程号为21468
7 执行完毕，耗时1.03
8 执行完毕，耗时1.05
9 执行完毕，耗时1.69
-----end-----

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；

apply(func[, args[, kwds]])：使用阻塞方式调用func

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；

apply堵塞式

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):
    po.apply(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-----")

运行结果：

0开始执行,进程号为21532
0 执行完毕，耗时1.91
1开始执行,进程号为21534
1 执行完毕，耗时1.72
2开始执行,进程号为21533
2 执行完毕，耗时0.50
3开始执行,进程号为21532
3 执行完毕，耗时1.27
4开始执行,进程号为21534
4 执行完毕，耗时1.05
5开始执行,进程号为21533
5 执行完毕，耗时1.60
6开始执行,进程号为21532
6 执行完毕，耗时0.25
7开始执行,进程号为21534
7 执行完毕，耗时0.63
8开始执行,进程号为21533
8 执行完毕，耗时1.21
9开始执行,进程号为21532
9 执行完毕，耗时0.60
----start----
-----end-----

9，进程间通信-Queue

Process之间有时需要通信，操作系统提供了很多机制来实现进程间的通信。一般第一个想到的肯定是套接字吧，今天我们来讲另一个东西，队列。
1. Queue的使用
可以使用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，首先用一个小实例来演示一下Queue的工作原理：

#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
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())

运行结果:

False
True
消息列队已满，现有消息数量:3
消息列队已满，现有消息数量:3
消息1
消息2
消息3

说明
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）；

• 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；

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

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；

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

2. Queue实例
我们以Queue为例，在父进程中创建两个子进程，一个往Queue里写数据，一个从Queue里读数据：

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')

运行结果：

Put A to queue...
Put B to queue...
Put C to queue...
Get A from queue.
Get B from queue.
Get C from queue.
所有数据都写入并且读完

3. 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.

下面的实例演示了进程池中的进程如何通信：

#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 "abcdef":
        q.put(i)

if __name__=="__main__":
    print("(%s) start"%os.getpid())
    q=Manager().Queue() #使用Manager中的Queue来初始化
    po=Pool()
    #使用阻塞模式创建进程，这样就不需要在reader中使用死循环了，可以让writer完全执行完成后，再用reader去读取
    po.apply(writer,(q,))
    po.apply(reader,(q,))
    po.close()
    po.join()
    print("(%s) End"%os.getpid())

运行结果:

(21156) start
writer启动(21162),父进程为(21156)
reader启动(21162),父进程为(21156)
reader从Queue获取到消息：a
reader从Queue获取到消息：b
reader从Queue获取到消息：c
reader从Queue获取到消息：d
reader从Queue获取到消息：e
reader从Queue获取到消息：f
(21156) End

Conclusion：

一般来说，进程跟线程分不开的，光有其中任何一个都是不完美的。所以我们还要看下线程。下一篇。。