python中的多线程、多进程
简介
使用Python可以快速地编写程序,但是python对多线程的支持却不好,在Python2中,更多地使用多进程。在Python3中,引入了concurrent,便于多线程/进程开发。
Python GIL
Python代码的执行由Python解释器进行控制,目前Python的解释器有多种,比较著名的有CPython、PyPy、Jython等。其中CPython为最广泛使用的Python解释器,是最早的由c语言开发。
在OS中,支持多个线程同时执行。 但在Python设计之初考虑到在Python解释器的主循环中执行Python代码,于是CPython中设计了全局解释器锁GIL(Global Interpreter Lock)机制,用于管理解释器的访问,Python线程的执行必须先竞争到GIL权限才能执行。
因此无论是单核还是多核CPU,任意给定时刻只有一个线程会被Python解释器执行,无法多线程运行。并这也是为什么在多核CPU上,Python的多线程有时效率并不高的根本原因。
Python2中高性能解决方法
Python多任务的解决方案主要由这么几种:
- 启动多进程,每个进程只有一个线程,通过多进程执行多任务;
- 启动单进程,在进程内启动多线程,通过多线程执行多任务;
- 启动多进程,在每个进程内再启动多个线程,同时执行更多的任务–这样子太复杂,实际上效果并不好,使用的更少。
使用多进程
多进程的package对应的是multiprocessing。
先看一下Process类。
'''
from multiprocessing.process import Process, current_process, active_children
'''class Process(object):'''Process objects represent activity that is run in a separate processThe class is analagous to `threading.Thread`'''_Popen = Nonedef __init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}):assert group is None, 'group argument must be None for now'count = _current_process._counter.next()self._identity = _current_process._identity + (count,)self._authkey = _current_process._authkeyself._daemonic = _current_process._daemonicself._tempdir = _current_process._tempdirself._parent_pid = os.getpid()self._popen = Noneself._target = targetself._args = tuple(args)self._kwargs = dict(kwargs)self._name = name or type(self).__name__ + '-' + \':'.join(str(i) for i in self._identity)
一个简单的Process的使用示例:
from multiprocessing import Processdef f(name):print 'hello', nameif __name__ == '__main__':p = Process(target=f, args=('bob',))p.start()p.join()
多线程处理
线程处理的package是threading
.
先简单看一下Thread类
# Main class for threadsclass Thread(_Verbose):"""A class that represents a thread of control.This class can be safely subclassed in a limited fashion."""__initialized = False# Need to store a reference to sys.exc_info for printing# out exceptions when a thread tries to use a global var. during interp.# shutdown and thus raises an exception about trying to perform some# operation on/with a NoneType__exc_info = _sys.exc_info# Keep sys.exc_clear too to clear the exception just before# allowing .join() to return.__exc_clear = _sys.exc_cleardef __init__(self, group=None, target=None, name=None,args=(), kwargs=None, verbose=None):"""This constructor should always be called with keyword arguments. Arguments are:*group* should be None; reserved for future extension when a ThreadGroupclass is implemented.*target* is the callable object to be invoked by the run()method. Defaults to None, meaning nothing is called.*name* is the thread name. By default, a unique name is constructed ofthe form "Thread-N" where N is a small decimal number.*args* is the argument tuple for the target invocation. Defaults to ().*kwargs* is a dictionary of keyword arguments for the targetinvocation. Defaults to {}.If a subclass overrides the constructor, it must make sure to invokethe base class constructor (Thread.__init__()) before doing anythingelse to the thread."""
简单示例
#!/usr/bin/python
from threading import Threaddef count(n):print "begin count..." "\r\n"while n > 0:n-=1print "done."def test_ThreadCount():t1 = Thread(target=count,args=(1000000,))print("start thread.")t1.start()print "join thread." t1.join()if __name__ == '__main__': test_ThreadCount()
输出:
start thread.
begin count...
join thread.done.
使用多进程和多线程性能对比
测试代码是网友的,使用了timeit, 请先安装此包。
#!/usr/bin/python
from threading import Thread
from multiprocessing import Process,Manager
from timeit import timeitdef count(n):while n > 0:n-=1def test_normal():count(1000000)count(1000000)def test_Thread():t1 = Thread(target=count,args=(1000000,))t2 = Thread(target=count,args=(1000000,))t1.start()t2.start()t1.join()t2.join()def test_Process():t1 = Process(target=count,args=(1000000,))t2 = Process(target=count,args=(1000000,))t1.start()t2.start()t1.join()t2.join()if __name__ == '__main__':print "test_normal",timeit('test_normal()','from __main__ import test_normal',number=10)print "test_Thread",timeit('test_Thread()','from __main__ import test_Thread',number=10)print "test_Process",timeit('test_Process()','from __main__ import test_Process',number=10)
执行后的输出结果:
test_normal 1.0291161
test_Thread 7.5084157
test_Process 1.6441867
可见,直接使用方法反而最快,使用Process次之,使用Thread最慢。单这个测试只是运算测试。如果有IO类的慢速操作时,还是要使用Process或者Thread。
python3中的concurrent.futures包
使用java或者CSharp的开发者,对future应该比较了解。这个是用以并发支持。
在Python3.2中提供了concurrent.futures包, 而python 2.7需要安装futures模块,使用命令pip install futures
安装即可.
模块concurrent.futures
给开发者提供一个执行异步调用的高级接口。concurrent.futures
基本上就是在Python的threading
和multiprocessing
模块之上构建的抽象层,更易于使用。尽管这个抽象层简化了这些模块的使用,但是也降低了很多灵活性。
这里最重要的是类Executor,当然Executor是抽象类,具体的实现类有2个,分别是ThreadPoolExecutor
和 ProcessPoolExecutor
,正如名字所示,分别对应着Thread和Process的执行池。
看一下ProcessPoolExecutor定义, 缺省地,最大的工作任务应该和CPU数量匹配。
class ProcessPoolExecutor(_base.Executor):def __init__(self, max_workers=None):"""Initializes a new ProcessPoolExecutor instance.Args:max_workers: The maximum number of processes that can be used toexecute the given calls. If None or not given then as manyworker processes will be created as the machine has processors."""_check_system_limits()if max_workers is None:self._max_workers = multiprocessing.cpu_count()else:if max_workers <= 0:raise ValueError("max_workers must be greater than 0")self._max_workers = max_workers
再看一下ThreadPoolExecutor的定义, 最重叠IO上(或者参考CompleteIO),处理最大的工作数量应该cpu数量的5倍。
class ThreadPoolExecutor(_base.Executor):def __init__(self, max_workers=None):"""Initializes a new ThreadPoolExecutor instance.Args:max_workers: The maximum number of threads that can be used toexecute the given calls."""if max_workers is None:# Use this number because ThreadPoolExecutor is often# used to overlap I/O instead of CPU work.max_workers = (cpu_count() or 1) * 5if max_workers <= 0:raise ValueError("max_workers must be greater than 0")self._max_workers = max_workersself._work_queue = queue.Queue()self._threads = set()self._shutdown = Falseself._shutdown_lock = threading.Lock()
看一个简单的示例,改编自网友的程序:
#!/usr/bin/python2
import os
import urllibfrom concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from concurrent.futures import as_completed
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutordef downloader(url):req = urllib.urlopen(url)if (req != None):print "begin down", url filename = os.path.basename(url)ext = os.path.splitext(url)[1]if not ext:raise RuntimeError("URL does not contain an extension")with open(filename,"wb") as file_handle:while True:chunk = req.read(1024)if not chunk:breakfile_handle.write(chunk)msg = "Finished downloading {filename}".format(filename = filename)return msgdef mainProcess(urls):with ProcessPoolExecutor(max_workers = 5) as executor:futures = [executor.submit(downloader,url) for url in urls]for future in as_completed(futures):print(future.result())def mainThread(urls):with ThreadPoolExecutor(max_workers = 5) as executor:futures = [executor.submit(downloader,url) for url in urls]for future in as_completed(futures):print(future.result())if __name__ == "__main__":urls1 = ["http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040.pdf","http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040a.pdf","http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040ez.pdf"]urls2 = ["http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040es.pdf","http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040sb.pdf"]mainProcess(urls1)mainThread(urls2)
执行3次,输出如下:
----1
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040ez.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040a.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040.pdf
Finished downloading f1040ez.pdf
Finished downloading f1040.pdf
Finished downloading f1040a.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040es.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040sb.pdf
Finished downloading f1040sb.pdf
Finished downloading f1040es.pdf----2
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040.pdfb
egin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040ez.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040a.pdf
Finished downloading f1040ez.pdf
Finished downloading f1040a.pdf
Finished downloading f1040.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040es.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040sb.pdf
Finished downloading f1040sb.pdf
Finished downloading f1040es.pdf----3
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040a.pdf
Finished downloading f1040.pdf
Finished downloading f1040a.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040ez.pdf
Finished downloading f1040ez.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040sb.pdf
begin down http://www.irs.gov/pub/irs-pdf/f1040es.pdf
Finished downloading f1040sb.pdf
Finished downloading f1040es.pdf
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