python 之 多進程

閱讀目錄

• 1. Process
• 2. Lock
• 3. Semaphore
• 4. Event
• 5. Queue
• 6. Pipe
• 7. Pool

序. multiprocessing
python中的多線程其實並不是真正的多線程，如果想要充分地使用多核CPU的資源，在python中大部分情況需要使用多進程。Python提供了非常好用的多進程包multiprocessing，只需要定義一個函數，Python會完成其他所有事情。藉助這個包，可以輕鬆完成從單進程到併發執行的轉換。multiprocessing支持子進程、通信和共用數據、執行不同形式的同步，提供了Process、Queue、Pipe、Lock等組件。

1. Process

創建進程的類：Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])，target表示調用對象，args表示調用對象的位置參數元組。kwargs表示調用對象的字典。name為別名。group實質上不使用。
方法：is_alive() 、join([timeout])、run()、start()、terminate()。其中，Process以start()啟動某個進程。

is_alive()：判斷該進程是否還活著

join([timeout])：主進程阻塞，等待子進程的退出， join方法要在close或terminate之後使用。

run():進程p調用start()時，自動調用run()

屬性：authkey、daemon（要通過start()設置）、exitcode(進程在運行時為None、如果為–N，表示被信號N結束）、name、pid。其中daemon是父進程終止後自動終止，且自己不能產生新進程，必須在start()之前設置。

例1.1：創建函數並將其作為單個進程

import multiprocessing
import time

def worker(interval):
    n = 5
    while n > 0:
        print("The time is {0}".format(time.ctime()))
        time.sleep(interval)
        n -= 1

if __name__ == "__main__":
    p = multiprocessing.Process(target = worker, args = (3,))
    p.start()
    print "p.pid:", p.pid
    print "p.name:", p.name
    print "p.is_alive:", p.is_alive()

結果

例1.2：創建函數並將其作為多個進程

import multiprocessing
import time

def worker_1(interval):
    print "worker_1"
    time.sleep(interval)
    print "end worker_1"

def worker_2(interval):
    print "worker_2"
    time.sleep(interval)
    print "end worker_2"

def worker_3(interval):
    print "worker_3"
    time.sleep(interval)
    print "end worker_3"

if __name__ == "__main__":
    p1 = multiprocessing.Process(target = worker_1, args = (2,))
    p2 = multiprocessing.Process(target = worker_2, args = (3,))
    p3 = multiprocessing.Process(target = worker_3, args = (4,))

    p1.start()
    p2.start()
    p3.start()

    print("The number of CPU is:" + str(multiprocessing.cpu_count()))
    for p in multiprocessing.active_children():
        print("child   p.name:" + p.name + "\tp.id" + str(p.pid))
    print "END!!!!!!!!!!!!!!!!!"

結果

例1.3：將進程定義為類

import multiprocessing
import time

class ClockProcess(multiprocessing.Process):
    def __init__(self, interval):
        multiprocessing.Process.__init__(self)
        self.interval = interval

    def run(self):
        n = 5
        while n > 0:
            print("the time is {0}".format(time.ctime()))
            time.sleep(self.interval)
            n -= 1

if __name__ == '__main__':
    p = ClockProcess(3)
    p.start()      

註：進程p調用start()時，自動調用run()

結果

例1.4：daemon程式對比結果

#1.4-1 不加daemon屬性

import multiprocessing
import time

def worker(interval):
    print("work start:{0}".format(time.ctime()));
    time.sleep(interval)
    print("work end:{0}".format(time.ctime()));

if __name__ == "__main__":
    p = multiprocessing.Process(target = worker, args = (3,))
    p.start()
    print "end!"

結果

#1.4-2 加上daemon屬性

import multiprocessing
import time

def worker(interval):
    print("work start:{0}".format(time.ctime()));
    time.sleep(interval)
    print("work end:{0}".format(time.ctime()));

if __name__ == "__main__":
    p = multiprocessing.Process(target = worker, args = (3,))
    p.daemon = True
    p.start()
    print "end!"

結果

註：因數進程設置了daemon屬性，主進程結束，它們就隨著結束了。

#1.4-3 設置daemon執行完結束的方法

import multiprocessing
import time

def worker(interval):
    print("work start:{0}".format(time.ctime()));
    time.sleep(interval)
    print("work end:{0}".format(time.ctime()));

if __name__ == "__main__":
    p = multiprocessing.Process(target = worker, args = (3,))
    p.daemon = True
    p.start()
    p.join()
    print "end!"

結果

2. Lock

當多個進程需要訪問共用資源的時候，Lock可以用來避免訪問的衝突。

import multiprocessing
import sys

def worker_with(lock, f):
    with lock:
        fs = open(f, 'a+')
        n = 10
        while n > 1:
            fs.write("Lockd acquired via with\n")
            n -= 1
        fs.close()
        
def worker_no_with(lock, f):
    lock.acquire()
    try:
        fs = open(f, 'a+')
        n = 10
        while n > 1:
            fs.write("Lock acquired directly\n")
            n -= 1
        fs.close()
    finally:
        lock.release()
    
if __name__ == "__main__":
    lock = multiprocessing.Lock()
    f = "file.txt"
    w = multiprocessing.Process(target = worker_with, args=(lock, f))
    nw = multiprocessing.Process(target = worker_no_with, args=(lock, f))
    w.start()
    nw.start()
    print "end"

結果（輸出文件）

3. Semaphore

Semaphore用來控制對共用資源的訪問數量，例如池的最大連接數。

import multiprocessing
import time

def worker(s, i):
    s.acquire()
    print(multiprocessing.current_process().name + "acquire");
    time.sleep(i)
    print(multiprocessing.current_process().name + "release\n");
    s.release()

if __name__ == "__main__":
    s = multiprocessing.Semaphore(2)
    for i in range(5):
        p = multiprocessing.Process(target = worker, args=(s, i*2))
        p.start()

結果

4. Event

Event用來實現進程間同步通信。

import multiprocessing
import time

def wait_for_event(e):
    print("wait_for_event: starting")
    e.wait()
    print("wairt_for_event: e.is_set()->" + str(e.is_set()))

def wait_for_event_timeout(e, t):
    print("wait_for_event_timeout:starting")
    e.wait(t)
    print("wait_for_event_timeout:e.is_set->" + str(e.is_set()))

if __name__ == "__main__":
    e = multiprocessing.Event()
    w1 = multiprocessing.Process(name = "block",
            target = wait_for_event,
            args = (e,))

    w2 = multiprocessing.Process(name = "non-block",
            target = wait_for_event_timeout,
            args = (e, 2))
    w1.start()
    w2.start()

    time.sleep(3)

    e.set()
    print("main: event is set")

結果

5. Queue

import multiprocessing

def writer_proc(q):      
    try:         
        q.put(1, block = False) 
    except:         
        pass   

def reader_proc(q):      
    try:         
        print q.get(block = False) 
    except:         
        pass

if __name__ == "__main__":
    q = multiprocessing.Queue()
    writer = multiprocessing.Process(target=writer_proc, args=(q,))  
    writer.start()   

    reader = multiprocessing.Process(target=reader_proc, args=(q,))  
    reader.start()  

    reader.join()  
    writer.join()

結果

6. Pipe

import multiprocessing
import time

def proc1(pipe):
    while True:
        for i in xrange(10000):
            print "send: %s" %(i)
            pipe.send(i)
            time.sleep(1)

def proc2(pipe):
    while True:
        print "proc2 rev:", pipe.recv()
        time.sleep(1)

def proc3(pipe):
    while True:
        print "PROC3 rev:", pipe.recv()
        time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    pipe = multiprocessing.Pipe()
    p1 = multiprocessing.Process(target=proc1, args=(pipe[0],))
    p2 = multiprocessing.Process(target=proc2, args=(pipe[1],))
    #p3 = multiprocessing.Process(target=proc3, args=(pipe[1],))

    p1.start()
    p2.start()
    #p3.start()

    p1.join()
    p2.join()
    #p3.join()

結果

7. Pool

在利用Python進行系統管理的時候，特別是同時操作多個文件目錄，或者遠程式控制制多台主機，並行操作可以節約大量的時間。當被操作對象數目不大時，可以直接利用multiprocessing中的Process動態成生多個進程，十幾個還好，但如果是上百個，上千個目標，手動的去限制進程數量卻又太過繁瑣，此時可以發揮進程池的功效。
Pool可以提供指定數量的進程，供用戶調用，當有新的請求提交到pool中時，如果池還沒有滿，那麼就會創建一個新的進程用來執行該請求；但如果池中的進程數已經達到規定最大值，那麼該請求就會等待，直到池中有進程結束，才會創建新的進程來它。

例7.1：使用進程池（非阻塞）

#coding: utf-8
import multiprocessing
import time

def func(msg):
    print "msg:", msg
    time.sleep(3)
    print "end"

if __name__ == "__main__":
    pool = multiprocessing.Pool(processes = 3)
    for i in xrange(4):
        msg = "hello %d" %(i)
        pool.apply_async(func, (msg, ))   #維持執行的進程總數為processes，當一個進程執行完畢後會添加新的進程進去

    print "Mark~ Mark~ Mark~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
    pool.close()
    pool.join()   #調用join之前，先調用close函數，否則會出錯。執行完close後不會有新的進程加入到pool,join函數等待所有子進程結束
    print "Sub-process(es) done."

一次執行結果

函數解釋：

• apply_async(func[, args[, kwds[, callback]]]) 它是非阻塞，apply(func[, args[, kwds]])是阻塞的（理解區別，看例1例2結果區別）
• close()    關閉pool，使其不在接受新的任務。
• terminate()    結束工作進程，不在處理未完成的任務。
• join()    主進程阻塞，等待子進程的退出， join方法要在close或terminate之後使用。

執行說明：創建一個進程池pool，並設定進程的數量為3，xrange(4)會相繼產生四個對象[0, 1, 2, 4]，四個對象被提交到pool中，因pool指定進程數為3，所以0、1、2會直接送到進程中執行，當其中一個執行完事後才空出一個進程處理對象3，所以會出現輸出“msg: hello 3”出現在"end"後。因為為非阻塞，主函數會自己執行自個的，不搭理進程的執行，所以運行完for迴圈後直接輸出“mMsg: hark~ Mark~ Mark~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~”，主程式在pool.join（）處等待各個進程的結束。

例7.2：使用進程池（阻塞）

#coding: utf-8
import multiprocessing
import time

def func(msg):
    print "msg:", msg
    time.sleep(3)
    print "end"

if __name__ == "__main__":
    pool = multiprocessing.Pool(processes = 3)
    for i in xrange(4):
        msg = "hello %d" %(i)
        pool.apply(func, (msg, ))   #維持執行的進程總數為processes，當一個進程執行完畢後會添加新的進程進去

    print "Mark~ Mark~ Mark~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"
    pool.close()
    pool.join()   #調用join之前，先調用close函數，否則會出錯。執行完close後不會有新的進程加入到pool,join函數等待所有子進程結束
    print "Sub-process(es) done."

一次執行的結果

例7.3：使用進程池，並關註結果

import multiprocessing
import time

def func(msg):
    print "msg:", msg
    time.sleep(3)
    print "end"
    return "done" + msg

if __name__ == "__main__":
    pool = multiprocessing.Pool(processes=4)
    result = []
    for i in xrange(3):
        msg = "hello %d" %(i)
        result.append(pool.apply_async(func, (msg, )))
    pool.close()
    pool.join()
    for res in result:
        print ":::", res.get()
    print "Sub-process(es) done."

一次執行結果

例7.4：使用多個進程池

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

def Lee():
    print "\nRun task Lee-%s" %(os.getpid()) #os.getpid()獲取當前的進程的ID
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 10) #random.random()隨機生成0-1之間的小數
    end = time.time()
    print 'Task Lee, runs %0.2f seconds.' %(end - start)

def Marlon():
    print "\nRun task Marlon-%s" %(os.getpid())
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 40)
    end=time.time()
    print 'Task Marlon runs %0.2f seconds.' %(end - start)

def Allen():
    print "\nRun task Allen-%s" %(os.getpid())
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 30)
    end = time.time()
    print 'Task Allen runs %0.2f seconds.' %(end - start)

def Frank():
    print "\nRun task Frank-%s" %(os.getpid())
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 20)
    end = time.time()
    print 'Task Frank runs %0.2f seconds.' %(end - start)
        
if __name__=='__main__':
    function_list=  [Lee, Marlon, Allen, Frank] 
    print "parent process %s" %(os.getpid())

    pool=multiprocessing.Pool(4)
    for func in function_list:
        pool.apply_async(func)     #Pool執行函數，apply執行函數,當有一個進程執行完畢後，會添加一個新的進程到pool中

    print 'Waiting for all subprocesses done...'
    pool.close()
    pool.join()    #調用join之前，一定要先調用close() 函數，否則會出錯, close()執行後不會有新的進程加入到pool,join函數等待素有子進程結束
    print 'All subprocesses done.'

一次執行結果