Python（二十九）進(jìn)程與線程

進(jìn)程與線程的使用在代碼運(yùn)行效率的優(yōu)化上是一個(gè)不可或缺的技能，看完本篇文章，你將對(duì)進(jìn)程與線程有一定的了解。

1. 多任務(wù)深入理解

1.1. CPU時(shí)間片

在單核中，并行基本上是并發(fā)，只有多核才能真正實(shí)現(xiàn)并行。

1.2. 進(jìn)程的概念

每個(gè)進(jìn)程擁有自己的獨(dú)立的地址空間，內(nèi)存，數(shù)據(jù)棧，以及其它用于跟蹤執(zhí)行的輔助數(shù)據(jù)。
各個(gè)進(jìn)程之間相互獨(dú)立，互不影響。

2. 多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)

2.1. 單一進(jìn)程

使用睡眠來(lái)模擬耗時(shí)操作，查看整個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間。

'''單進(jìn)程'''
import time

def new_time():
    """格式化時(shí)間"""
    # print(time.time())
    # outputs:1638166819.3935854，時(shí)間戳，是從1970年1月1日開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)
    # print(time.localtime(time.time()))
    # outputs:time.struct_time(tm_year=2021, tm_mon=11, tm_mday=29, tm_hour=14, tm_min=20, tm_sec=19, tm_wday=0, tm_yday=333, tm_isdst=0)，將時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成年月日時(shí)分秒
    # print(time.asctime(time.localtime(time.time())))
    # outputs:Mon Nov 29 14:20:19 2021
    return time.asctime(time.localtime(time.time()))

def func():
    print('inner-start:',new_time())
    time.sleep(5)       # 休眠，模擬io耗時(shí)操作
    print('inner-end:',new_time())

print('outer-start:',new_time())
time.sleep(5)
func()
print('outer-end:',new_time())
運(yùn)行結(jié)果

2.2. 開(kāi)啟多進(jìn)程

使用多進(jìn)程來(lái)分擔(dān)耗時(shí)任務(wù)，在另一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行耗時(shí)任務(wù)，這樣主進(jìn)程就不會(huì)受到影響。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行完時(shí)，返回子進(jìn)程的運(yùn)行結(jié)果。

'''開(kāi)啟多進(jìn)程不包含參數(shù)'''
import multiprocessing     # 導(dǎo)入多進(jìn)程模塊
import time

def new_time():
    """格式化時(shí)間"""
    # print(time.time())
    # outputs:1638166819.3935854，時(shí)間戳，是從1970年1月1日開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)
    # print(time.localtime(time.time()))
    # outputs:time.struct_time(tm_year=2021, tm_mon=11, tm_mday=29, tm_hour=14, tm_min=20, tm_sec=19, tm_wday=0, tm_yday=333, tm_isdst=0)，將時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成年月日時(shí)分秒
    # print(time.asctime(time.localtime(time.time())))
    # outputs:Mon Nov 29 14:20:19 2021
    return time.asctime(time.localtime(time.time()))

def func():
    print('inner-start:',new_time())
    time.sleep(5)       # 休眠，模擬io耗時(shí)操作
    print('inner-end:',new_time())

print('outer-start:',new_time())
p1 = multiprocessing.Process(target=func)      # 實(shí)例化一個(gè)進(jìn)程對(duì)象，target告訴它做什么事
p1.start()      # 開(kāi)啟子進(jìn)程，能夠讓任務(wù)更快地做完
time.sleep(5)
print('outer-end:',new_time())
運(yùn)行結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)做同樣的工作，運(yùn)行多進(jìn)程程序比運(yùn)行單進(jìn)程程序快了5秒鐘。

'''開(kāi)啟多進(jìn)程包含參數(shù)'''
import multiprocessing     # 導(dǎo)入多進(jìn)程模塊
import time

def new_time():
    """格式化時(shí)間"""
    # print(time.time())
    # outputs:1638166819.3935854，時(shí)間戳，是從1970年1月1日開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)
    # print(time.localtime(time.time()))
    # outputs:time.struct_time(tm_year=2021, tm_mon=11, tm_mday=29, tm_hour=14, tm_min=20, tm_sec=19, tm_wday=0, tm_yday=333, tm_isdst=0)，將時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成年月日時(shí)分秒
    # print(time.asctime(time.localtime(time.time())))
    # outputs:Mon Nov 29 14:20:19 2021
    return time.asctime(time.localtime(time.time()))

def func(x,y):
    print('inner-start:',new_time())
    print(x*y)
    time.sleep(5)       # 休眠，模擬io耗時(shí)操作
    print('inner-end:',new_time())

print('outer-start:',new_time())
p1 = multiprocessing.Process(target=func,args=(3,4))      # 實(shí)例化一個(gè)進(jìn)程對(duì)象，target告訴它做什么事，必須得傳元組，所以單個(gè)參數(shù)時(shí)需要(3,)
p1.start()      # 開(kāi)啟子進(jìn)程，能夠讓任務(wù)更快地做完
time.sleep(5)
print('outer-end:',new_time())
運(yùn)行結(jié)果

2.3. 多進(jìn)程

首先是multiprocessing.Process實(shí)例化，并且指定回調(diào)函數(shù)，參數(shù)列表。
實(shí)例化之后可以直接調(diào)用運(yùn)行，這就實(shí)現(xiàn)了多進(jìn)程運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間。
這里并行都只是Python層面的，并不是實(shí)際層面的。
當(dāng)總進(jìn)程數(shù)多于核心數(shù)的時(shí)候，多余的進(jìn)程就沒(méi)有了效果。
多進(jìn)程是由操作系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行。


代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3. 多線程實(shí)現(xiàn)

3.1. 輕量級(jí)進(jìn)程

如果把進(jìn)程比做一個(gè)工廠，那么線程就是工廠里面的工人，也就是一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程。
車(chē)間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個(gè)工人都可以進(jìn)出的。這象征一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)容空間是共享的，每個(gè)線程都可以使用這些共享內(nèi)存。
一個(gè)線程可以被搶占（中斷）也可以臨時(shí)掛起（睡眠）等。
線程的調(diào)度由Python解釋器調(diào)度，而進(jìn)程由操作系統(tǒng)調(diào)度。

3.2. 多線程

多線程不適合解決計(jì)算密集型的情形，但是適合IO密集型的場(chǎng)景。因?yàn)樵谕粋€(gè)進(jìn)程內(nèi)，并不會(huì)額外分配其它的系統(tǒng)資源。
Python中的多線程在遇到阻塞時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到非阻塞的線程上去。

'''多線程實(shí)現(xiàn)'''
import time
import multiprocessing     # 導(dǎo)入多進(jìn)程模塊
import threading        # 導(dǎo)入多線程模塊

def new_time():
    """格式化時(shí)間"""
    # print(time.time())
    # outputs:1638166819.3935854，時(shí)間戳，是從1970年1月1日開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)
    # print(time.localtime(time.time()))
    # outputs:time.struct_time(tm_year=2021, tm_mon=11, tm_mday=29, tm_hour=14, tm_min=20, tm_sec=19, tm_wday=0, tm_yday=333, tm_isdst=0)，將時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成年月日時(shí)分秒
    # print(time.asctime(time.localtime(time.time())))
    # outputs:Mon Nov 29 14:20:19 2021
    return time.asctime(time.localtime(time.time()))

def func(x,y):
    print('inner-start:',new_time())
    print(x*y)
    time.sleep(5)       # 休眠，模擬io耗時(shí)操作
    print('inner-end:',new_time())

print('outer-start:',new_time())
t1 = threading.Thread(target=func,args=(3,4))       # 實(shí)例化一個(gè)線程對(duì)象
t1.start()      # 開(kāi)啟子線程
time.sleep(5)
print('outer-end:',new_time())
運(yùn)行結(jié)果

3.3. GIL全局解釋鎖

Python發(fā)明之初，還沒(méi)有多核CPU的概念。為了利用多核，Python開(kāi)始支持多線程，而解決多線程之間數(shù)據(jù)完整性和狀態(tài)同步的最簡(jiǎn)單方法自然就是加鎖，于是就有了GIL這把全局解釋鎖。
GIL鎖要求，任何進(jìn)程中，一次只能有一個(gè)線程在執(zhí)行，因此，并不能為多個(gè)線程分配多個(gè)CPU，所以Python中的線程只能實(shí)現(xiàn)并發(fā)，而不能實(shí)現(xiàn)并行。

4. 并發(fā)服務(wù)器

4.1. 多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)器

'''多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)器'''
import time
import socket
import multiprocessing
server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8989))
server.listen(10)

def handle(conn):
    while True:
        recv_data = conn.recv(1024)
        if recv_data:
            print(recv_data)
            conn.send(recv_data)
        else:
            conn.close()
            break

while True:
    conn,address = server.accept()      # 生成套接字
    p1 = multiprocessing.Process(target=handle,args=(conn,))
    p1.start()

4.2. 多線程實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)器

'''多線程實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)器'''
import time
import socket
import threading

server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8989))
server.listen(10)

def handle(conn):
    while True:
        recv_data = conn.recv(1024)
        if recv_data:
            print(recv_data)
            conn.send(recv_data)
        else:
            conn.close()
            break

while True:
    conn,address = server.accept()      # 生成套接字
    t1 = threading.Thread(target=handle,args=(conn,))
    t1.start()

4.3. 進(jìn)程與線程認(rèn)識(shí)客戶端

import socket
client = socket.socket()        # 創(chuàng)建一個(gè)socket對(duì)象，命名為客戶端
client.connect(('127.0.0.1',8989))# 連接服務(wù)器端口，注意這里填入的是元組

for i in range(1000):
    client.send(b'hello')       # 發(fā)送hello給服務(wù)器
    print(client.recv(1024))

文章到這里就結(jié)束了！希望大家能多多支持Python（系列）！六個(gè)月帶大家學(xué)會(huì)Python，私聊我，可以問(wèn)關(guān)于本文章的問(wèn)題！以后每天都會(huì)發(fā)布新的文章，喜歡的點(diǎn)點(diǎn)關(guān)注！一個(gè)陪伴你學(xué)習(xí)Python的新青年！不管多忙都會(huì)更新下去，一起加油！

Editor：Lonelyroots

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