Python行程、執行緒、協程詳解

進程與執行緒的歷史

我們都知道電腦是由硬體和軟體組成的。硬體中的CPU是電腦的核心，它承擔電腦的所有任務。 作業系統是運作在硬體之上的軟體，是電腦的管理者，它負責資源的管理與分配、任務的調度。 程式是運行在系統上的具有某種功能的軟體，比如說瀏覽器，音樂播放器等。 每次執行程式的時候，都會完成一定的功能，比如說瀏覽器幫我們打開網頁，為了確保其獨立性，就需要一個專門的管理和控制執行程序的資料結構——進程控制塊。 進程就是一個程式在一個資料集上的一次動態執行過程。 進程一般由程式、資料集、進程控制塊三部分組成。我們所寫的程式用來描述行程要完成哪些功能以及如何完成；資料集則是程式在執行過程中所需要使用的資源；行程控制區塊用來記錄行程的外部特徵，描述行程的執行變更過程，系統可以利用它來控制和管理進程，它是系統感知進程存在的唯一標誌。

在早期的作業系統裡，電腦只有一個核心，進程執行程式的最小單位，任務調度採用時間片輪轉的搶佔式方式進行進程調度。每個進程都有各自的一塊獨立的內存，確保進程彼此間的內存位址空間的隔離。 隨著電腦科技的發展，流程出現了許多弊端，一是進程的創建、撤銷和切換的開銷比較大，二是由於對稱多處理機（對稱多處理機（SymmetricalMulti-Processing）又叫SMP，是指在一台電腦上匯集了一組處理器(多CPU)，各CPU之間共享記憶體子系統以及匯流排結構）的出現，可以滿足多個運行單位，而多進程並行開銷過大。 這個時候就引入了線程的概念。 執行緒也叫輕量級進程，它是一個基本的CPU執行單元，也是程式執行過程中的最小單元，由執行緒ID、程式計數器、暫存器集合 和堆疊共同組成。執行緒的引入減少了程式並發執行時的開銷，提高了作業系統的並發效能。 執行緒沒有自己的系統資源，只擁有在運行時必不可少的資源。但執行緒可以與同屬與同一行程的其他執行緒共享進程所擁有的其他資源。

進程與執行緒之間的關係

執行緒是屬於進程的，執行緒運行在進程空間內，同一進程所產生的執行緒共享相同記憶體空間，當進程退出時該進程所產生的執行緒都會被強制退出並清除。執行緒可與屬於同一進程的其它執行緒共享進程所擁有的全部資源，但是其本身基本上不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資訊(如程式計數器、一組暫存器和堆疊)。

python 執行緒

Threading用於提供執行緒相關的操作，執行緒是應用程式中工作的最小單元。

1、threading模組

threading 模組建立在 _thread 模組之上。 thread 模組以低階、原始的方式來處理和控制線程，而 threading 模組則透過對 thread 進行二次封裝，提供了更方便的 api 來處理線程。

import threading
import time
   
def worker(num):
    """
    thread worker function
    :return:
    """
    time.sleep(1)
    print("The num is  %d" % num)
    return
   
for i in range(20):
    t = threading.Thread(target=worker,args=(i,)，name=“t.%d” % i)
    t.start()

上述程式碼創建了20個「前台」線程，然後控制器就交給了CPU，CPU根據指定演算法進行調度，分片執行指令。

Thread方法說明

t.start() : 激活線程，

t.getName() : 獲取線程的名稱

t.setName() ： 設置線程的名稱 

t.name : 獲取或設置線程的名稱

t.is_alive() ： 判斷執行緒是否為啟動狀態

t.isAlive() ：判斷執行緒是否為啟動狀態

t.setDaemon() 設定為後台執行緒或前台執行緒（預設：False）;透過一個布林值設定線程是否為守護線程，必須在執行start()方法之後才可以使用。如果是後台線程，主線程執行過程中，後台線程也在進行，主線程執行完畢後，後台線程不論成功與否，均停止；如果是前台線程，主線程執行過程中，前台線程也在進行，主執行緒執行完畢後，等待前台執行緒也執行完成後，程式停止

t.isDaemon() ： 判斷是否為守護執行緒

t.ident ：取得執行緒的識別碼。執行緒標識符是一個非零整數，只有在呼叫了start()方法之後該屬性才有效，否則它只回傳None。

t.join() ：逐一執行每個線程，執行完畢後繼續往下執行，該方法使得多線程變得無意義

t.run() ：線程被cpu調度後自動執行線程物件的run方法

2、執行緒鎖threading.RLock和threading.Lock

由於執行緒之間是進行隨機調度，且每個執行緒可能只執行n條執行之後，CPU接著執行其他執行緒。為了確保數據的準確性，引入了鎖的概念。所以，可能會出現以下問題：

例：假设列表A的所有元素就为0，当一个线程从前向后打印列表的所有元素，另外一个线程则从后向前修改列表的元素为1,那么输出的时候，列表的元素就会一部分为0，一部分为1,这就导致了数据的不一致。锁的出现解决了这个问题。

import threading
import time
   
globals_num = 0
   
lock = threading.RLock()
   
def Func():
    lock.acquire()  # 获得锁
    global globals_num
    globals_num += 1
    time.sleep(1)
    print(globals_num)
    lock.release()  # 释放锁
   
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=Func)
    t.start()

3、threading.RLock和threading.Lock 的区别

RLock允许在同一线程中被多次acquire。而Lock却不允许这种情况。 如果使用RLock，那么acquire和release必须成对出现，即调用了n次acquire，必须调用n次的release才能真正释放所占用的琐。

import threading
lock = threading.Lock()    #Lock对象
lock.acquire()
lock.acquire()  #产生了死琐。
lock.release()
lock.release()　
import threading
rLock = threading.RLock()  #RLock对象
rLock.acquire()
rLock.acquire()    #在同一线程内，程序不会堵塞。
rLock.release()
rLock.release()

4、threading.Event

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

Event.isSet() ：判断标识位是否为Ture。

import threading
   
def do(event):
    print('start')
    event.wait()
    print('execute')
   
event_obj = threading.Event()
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=do, args=(event_obj,))
    t.start()
   
event_obj.clear()
inp = input('input:')
if inp == 'true':
    event_obj.set()

当线程执行的时候，如果flag为False，则线程会阻塞，当flag为True的时候，线程不会阻塞。它提供了本地和远程的并发性。

5、threading.Condition

一个condition变量总是与某些类型的锁相联系，这个可以使用默认的情况或创建一个，当几个condition变量必须共享和同一个锁的时候，是很有用的。锁是conditon对象的一部分：没有必要分别跟踪。

condition变量服从上下文管理协议：with语句块封闭之前可以获取与锁的联系。 acquire() 和 release() 会调用与锁相关联的相应的方法。

其他和锁关联的方法必须被调用，wait()方法会释放锁，当另外一个线程使用 notify() or notify_all()唤醒它之前会一直阻塞。一旦被唤醒，wait()会重新获得锁并返回，

Condition类实现了一个conditon变量。 这个conditiaon变量允许一个或多个线程等待，直到他们被另一个线程通知。 如果lock参数，被给定一个非空的值，，那么他必须是一个lock或者Rlock对象，它用来做底层锁。否则，会创建一个新的Rlock对象，用来做底层锁。

wait(timeout=None) ： 等待通知，或者等到设定的超时时间。当调用这wait()方法时，如果调用它的线程没有得到锁，那么会抛出一个RuntimeError 异常。 wati()释放锁以后，在被调用相同条件的另一个进程用notify() or notify_all() 叫醒之前 会一直阻塞。wait() 还可以指定一个超时时间。

如果有等待的线程，notify()方法会唤醒一个在等待conditon变量的线程。notify_all() 则会唤醒所有在等待conditon变量的线程。

注意： notify()和notify_all()不会释放锁，也就是说，线程被唤醒后不会立刻返回他们的wait() 调用。除非线程调用notify()和notify_all()之后放弃了锁的所有权。

在典型的设计风格里，利用condition变量用锁去通许访问一些共享状态，线程在获取到它想得到的状态前，会反复调用wait()。修改状态的线程在他们状态改变时调用 notify() or notify_all()，用这种方式，线程会尽可能的获取到想要的一个等待者状态。 例子： 生产者-消费者模型，

import threading
import time
def consumer(cond):
    with cond:
        print("consumer before wait")
        cond.wait()
        print("consumer after wait")
   
def producer(cond):
    with cond:
        print("producer before notifyAll")
        cond.notifyAll()
        print("producer after notifyAll")
   
condition = threading.Condition()
c1 = threading.Thread(name="c1", target=consumer, args=(condition,))
c2 = threading.Thread(name="c2", target=consumer, args=(condition,))
   
p = threading.Thread(name="p", target=producer, args=(condition,))
   
c1.start()
time.sleep(2)
c2.start()
time.sleep(2)
p.start()

6、queue模块

Queue 就是对队列，它是线程安全的

举例来说，我们去麦当劳吃饭。饭店里面有厨师职位，前台负责把厨房做好的饭卖给顾客，顾客则去前台领取做好的饭。这里的前台就相当于我们的队列。形成管道样，厨师做好饭通过前台传送给顾客，所谓单向队列

这个模型也叫生产者-消费者模型。

import queue
q = queue.Queue(maxsize=0)  # 构造一个先进显出队列，maxsize指定队列长度，为0 时，表示队列长度无限制。
q.join()    # 等到队列为kong的时候，在执行别的操作
q.qsize()   # 返回队列的大小 （不可靠）
q.empty()   # 当队列为空的时候，返回True 否则返回False （不可靠）
q.full()    # 当队列满的时候，返回True，否则返回False （不可靠）
q.put(item, block=True, timeout=None) #  将item放入Queue尾部，item必须存在，可以参数block默认为True,表示当队列满时，会等待队列给出可用位置，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 为False时为非阻塞，此时如果队列已满，会引发queue.Full 异常。 可选参数timeout，表示 会阻塞设置的时间，过后，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  如果队列无法给出放入item的位置，则引发 queue.Full 异常
q.get(block=True, timeout=None) #   移除并返回队列头部的一个值，可选参数block默认为True，表示获取值的时候，如果队列为空，则阻塞，为False时，不阻塞，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　若此时队列为空，则引发 queue.Empty异常。 可选参数timeout，表示会阻塞设置的时候，过后，如果队列为空，则引发Empty异常。
q.put_nowait(item) #   等效于 put(item,block=False)
q.get_nowait() #    等效于 get(item,block=False)

代码如下：

#!/usr/bin/env python
import Queue
import threading
message = Queue.Queue(10)
  
  
def producer(i):
    while True:
        message.put(i)
  
  
def consumer(i):
    while True:
        msg = message.get()
  
  
for i in range(12):
    t = threading.Thread(target=producer, args=(i,))
    t.start()
  
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=consumer, args=(i,))
    t.start()

那就自己做个线程池吧：

# 简单往队列中传输线程数
import threading
import time
import queue
class Threadingpool():
    def __init__(self,max_num = 10):
        self.queue = queue.Queue(max_num)
        for i in range(max_num):
            self.queue.put(threading.Thread)
    def getthreading(self):
        return self.queue.get()
    def addthreading(self):
        self.queue.put(threading.Thread)
def func(p,i):
    time.sleep(1)
    print(i)
    p.addthreading()
if __name__ == "__main__":
    p = Threadingpool()
    for i in range(20):
        thread = p.getthreading()
        t = thread(target = func, args = (p,i))
        t.start()

#往队列中无限添加任务
import queue
import threading
import contextlib
import time
StopEvent = object()
class ThreadPool(object):
    def __init__(self, max_num):
        self.q = queue.Queue()
        self.max_num = max_num
        self.terminal = False
        self.generate_list = []
        self.free_list = []
    def run(self, func, args, callback=None):
        """
        线程池执行一个任务
        :param func: 任务函数
        :param args: 任务函数所需参数
        :param callback: 任务执行失败或成功后执行的回调函数，回调函数有两个参数1、任务函数执行状态；2、任务函数返回值（默认为None，即：不执行回调函数）
        :return: 如果线程池已经终止，则返回True否则None
        """
        if len(self.free_list) == 0 and len(self.generate_list) < self.max_num:
            self.generate_thread()
        w = (func, args, callback,)
        self.q.put(w)
    def generate_thread(self):
        """
        创建一个线程
        """
        t = threading.Thread(target=self.call)
        t.start()
    def call(self):
        """
        循环去获取任务函数并执行任务函数
        """
        current_thread = threading.currentThread
        self.generate_list.append(current_thread)
        event = self.q.get()  # 获取线程
        while event != StopEvent:   # 判断获取的线程数不等于全局变量
            func, arguments, callback = event   # 拆分元祖，获得执行函数，参数，回调函数
            try:
                result = func(*arguments)   # 执行函数
                status = True
            except Exception as e:    # 函数执行失败
                status = False
                result = e
            if callback is not None:
                try:
                    callback(status, result)
                except Exception as e:
                    pass
            # self.free_list.append(current_thread)
            # event = self.q.get()
            # self.free_list.remove(current_thread)
            with self.work_state():
                event = self.q.get()
        else:
            self.generate_list.remove(current_thread)
    def close(self):
        """
        关闭线程，给传输全局非元祖的变量来进行关闭
        :return:
        """
        for i in range(len(self.generate_list)):
            self.q.put(StopEvent)
    def terminate(self):
        """
        突然关闭线程
        :return:
        """
        self.terminal = True
        while self.generate_list:
            self.q.put(StopEvent)
        self.q.empty()
    @contextlib.contextmanager
    def work_state(self):
        self.free_list.append(threading.currentThread)
        try:
            yield
        finally:
            self.free_list.remove(threading.currentThread)
def work(i):
    print(i)
    return i +1 # 返回给回调函数
def callback(ret):
    print(ret)
pool = ThreadPool(10)
for item in range(50):
    pool.run(func=work, args=(item,),callback=callback)
pool.terminate()
# pool.close()

python 进程

multiprocessing是python的多进程管理包，和threading.Thread类似。

1、multiprocessing模块

直接从侧面用subprocesses替换线程使用GIL的方式，由于这一点，multiprocessing模块可以让程序员在给定的机器上充分的利用CPU。在multiprocessing中，通过创建Process对象生成进程，然后调用它的start()方法，

from multiprocessing import Process
  
def func(name):
    print('hello', name)
  
 
if __name__ == "__main__":
    p = Process(target=func,args=('zhangyanlin',))
    p.start()
    p.join()  # 等待进程执行完毕

在使用并发设计的时候最好尽可能的避免共享数据，尤其是在使用多进程的时候。 如果你真有需要 要共享数据， multiprocessing提供了两种方式。

（1）multiprocessing，Array,Value

数据可以用Value或Array存储在一个共享内存地图里，如下：

from multiprocessing import Array,Value,Process
  
def func(a,b):
    a.value = 3.333333333333333
    for i in range(len(b)):
        b[i] = -b[i]
  
  
if __name__ == "__main__":
    num = Value('d',0.0)
    arr = Array('i',range(11))
  
  
    c = Process(target=func,args=(num,arr))
    d= Process(target=func,args=(num,arr))
    c.start()
    d.start()
    c.join()
    d.join()
  
    print(num.value)
    for i in arr:
        print(i)

输出：

3.1415927

[0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9]

创建num和arr时，“d”和“i”参数由Array模块使用的typecodes创建：“d”表示一个双精度的浮点数，“i”表示一个有符号的整数，这些共享对象将被线程安全的处理。

Array(‘i’, range(10))中的‘i’参数：

‘c’: ctypes.c_char　　　　 ‘u’: ctypes.c_wchar　　　　‘b’: ctypes.c_byte　　　　 ‘B’: ctypes.c_ubyte

‘h’: ctypes.c_short　　　  ‘H’: ctypes.c_ushort　　  ‘i’: ctypes.c_int　　　　　 ‘I’: ctypes.c_uint

‘l’: ctypes.c_long,　　　　‘L’: ctypes.c_ulong　　　　‘f’: ctypes.c_float　　　　‘d’: ctypes.c_double

（2）multiprocessing，Manager

由Manager()返回的manager提供list, dict, Namespace, Lock, RLock, Semaphore, BoundedSemaphore, Condition, Event, Barrier, Queue, Value and Array类型的支持。

from multiprocessing import Process,Manager
def f(d,l):
    d["name"] = "zhangyanlin"
    d["age"] = 18
    d["Job"] = "pythoner"
    l.reverse()
  
if __name__ == "__main__":
    with Manager() as man:
        d = man.dict()
        l = man.list(range(10))
  
        p = Process(target=f,args=(d,l))
        p.start()
        p.join()
  
        print(d)
        print(l)

输出：

{0.25: None, 1: '1', '2': 2}

[9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0]

Server process manager比 shared memory 更灵活，因为它可以支持任意的对象类型。另外，一个单独的manager可以通过进程在网络上不同的计算机之间共享，不过他比shared memory要慢。

2、进程池（Using a pool of workers）

Pool类描述了一个工作进程池，他有几种不同的方法让任务卸载工作进程。

进程池内部维护一个进程序列，当使用时，则去进程池中获取一个进程，如果进程池序列中没有可供使用的进进程，那么程序就会等待，直到进程池中有可用进程为止。

我们可以用Pool类创建一个进程池， 展开提交的任务给进程池。 例：

#apply
from  multiprocessing import Pool
import time
  
def f1(i):
    time.sleep(0.5)
    print(i)
    return i + 100
  
if __name__ == "__main__":
    pool = Pool(5)
    for i in range(1,31):
        pool.apply(func=f1,args=(i,))
  
#apply_async
def f1(i):
    time.sleep(0.5)
    print(i)
    return i + 100
def f2(arg):
    print(arg)
  
if __name__ == "__main__":
    pool = Pool(5)
    for i in range(1,31):
        pool.apply_async(func=f1,args=(i,),callback=f2)
    pool.close()
    pool.join()

一个进程池对象可以控制工作进程池的哪些工作可以被提交，它支持超时和回调的异步结果，有一个类似map的实现。

processes ：使用的工作进程的数量，如果processes是None那么使用 os.cpu_count()返回的数量。

initializer： 如果initializer是None，那么每一个工作进程在开始的时候会调用initializer(*initargs)。

maxtasksperchild：工作进程退出之前可以完成的任务数，完成后用一个心的工作进程来替代原进程，来让闲置的资源被释放。maxtasksperchild默认是None，意味着只要Pool存在工作进程就会一直存活。

context: 用在制定工作进程启动时的上下文，一般使用 multiprocessing.Pool() 或者一个context对象的Pool()方法来创建一个池，两种方法都适当的设置了context

注意：Pool对象的方法只可以被创建pool的进程所调用。

New in version 3.2: maxtasksperchild
New in version 3.4: context

进程池的方法

apply(func[, args[, kwds]])

：使用arg和kwds参数调用func函数，结果返回前会一直阻塞，由于这个原因，apply_async()更适合并发执行，另外，func函数仅被pool中的一个进程运行。

apply_async(func[, args[, kwds[, callback[, error_callback]]]]) ： apply()方法的一个变体，会返回一个结果对象。如果callback被指定，那么callback可以接收一个参数然后被调用，当结果准备好回调时会调用callback，调用失败时，则用error_callback替换callback。 Callbacks应被立即完成，否则处理结果的线程会被阻塞。

close() ： 阻止更多的任务提交到pool，待任务完成后，工作进程会退出。

terminate() ： 不管任务是否完成，立即停止工作进程。在对pool对象进程垃圾回收的时候，会立即调用terminate()。

join() : wait工作线程的退出，在调用join()前，必须调用close() or terminate()。这样是因为被终止的进程需要被父进程调用wait（join等价与wait），否则进程会成为僵尸进程。

map(func, iterable[, chunksize])¶
map_async(func, iterable[, chunksize[, callback[, error_callback]]])¶
imap(func, iterable[, chunksize])¶
imap_unordered(func, iterable[, chunksize])
starmap(func, iterable[, chunksize])¶
starmap_async(func, iterable[, chunksize[, callback[, error_back]]])

python 协程

线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作则是程序员。

协程存在的意义：对于多线程应用，CPU通过切片的方式来切换线程间的执行，线程切换时需要耗时（保存状态，下次继续）。协程，则只使用一个线程，在一个线程中规定某个代码块执行顺序。

协程的适用场景：当程序中存在大量不需要CPU的操作时（IO），适用于协程；

event loop是协程执行的控制点， 如果你希望执行协程， 就需要用到它们。

event loop提供了如下的特性：

注册、执行、取消延时调用(异步函数)

创建用于通信的client和server协议(工具)

创建和别的程序通信的子进程和协议(工具)

把函数调用送入线程池中

协程示例：

import asyncio
   
async def cor1():
    print("COR1 start")
    await cor2()
    print("COR1 end")
   
async def cor2():
    print("COR2")
   
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(cor1())
loop.close()

最后三行是重点。

asyncio.get_event_loop()  : asyncio启动默认的event loop 

run_until_complete()  :  这个函数是阻塞执行的，知道所有的异步函数执行完成，

close()  :  关闭event loop。

1、greenlet

import greenlet
def fun1():
    print("12")
    gr2.switch()
    print("56")
    gr2.switch()
  
def fun2():
    print("34")
    gr1.switch()
    print("78")
  
  
gr1 = greenlet.greenlet(fun1)
gr2 = greenlet.greenlet(fun2)
gr1.switch()

2、gevent

gevent属于第三方模块需要下载安装包

pip3 install --upgrade pip3
pip3 install gevent

import gevent
def fun1():
    print("www.baidu.com")   # 第一步
    gevent.sleep(0)
    print("end the baidu.com")  # 第三步
  
def fun2():
    print("www.zhihu.com")   # 第二步
    gevent.sleep(0)
    print("end th zhihu.com")  # 第四步
  
gevent.joinall([
    gevent.spawn(fun1),
    gevent.spawn(fun2),
])

遇到IO操作自动切换：

import gevent
import requests
def func(url):
    print("get: %s"%url)
    gevent.sleep(0)
    date =requests.get(url)
    ret = date.text
    print(url,len(ret))
gevent.joinall([
    gevent.spawn(func, 'https://www.pythontab.com/'),
    gevent.spawn(func, 'https://www.yahoo.com/'),
    gevent.spawn(func, 'https://github.com/'),
])

文章转自：http://www.cnblogs.com/aylin/p/5601969.html