Python 中的多线程，多进程，并发，并行，同步，通信

本文简单介绍了Python中并发和并行的机理，如何实现并发和并，以及一些多线程，多进程之间通信和同步的问题

并发和并行

知乎上 龚昱阳 Dozer的说明的很形象，在此借用：

https://www.zhihu.com/question/33515481

你吃饭吃到一半，电话来了，你一直到吃完了以后才去接，这就说明你不支持并发也不支持并行。

你吃饭吃到一半，电话来了，你停了下来接了电话，接完后继续吃饭，这说明你支持并发。

你吃饭吃到一半，电话来了，你一边打电话一边吃饭，这说明你支持并行。

并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时。

并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。

所以我认为它们最关键的点就是：是否是『同时』。

Python 中没有真正的并行，只有并发

无论你的机器有多少个CPU, 同一时间只有一个Python解析器执行。这也和大部分解释型语言一致， 都不支持并行。这应该是python设计的先天缺陷。

javascript也是相同的道理， javascript早起的版本只支持单任务，后来通过worker来支持并发。

Python中的多线程

先复习一下进程和线程的概念

所谓进程，简单的说就是一段程序的动态执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个基本单位。一个进程中又可以包含若干个独立的执行流，我们将这些执行流称为线程，线程是CPU调度和分配的基本单位。同一个进程的线程都有自己的专有寄存器，但内存等资源是共享的。

这里有一个更加形象的解释， 出自阮一峰大神的杰作：

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

Python中的thread的使用

通过 thread.start_new_thread 方法

import thread
import time

# Define a function for the thread
def print_time( threadName, delay):
count = 0
while count < 5:
time.sleep(delay)
count += 1
print "%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) )

# Create two threads as follows
try:
thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
except:
print "Error: unable to start thread"

while 1:
pass

通过继承thread

#!/usr/bin/python
import threading
import time
exitFlag = 0
class myThread (threading.Thread):
def __init__(self, threadID, name, counter):
threading.Thread.__init__(self)
self.threadID = threadID
self.name = name
self.counter = counter
def run(self):
print "Starting " + self.name
print_time(self.name, self.counter, 5)
print "Exiting " + self.name

def print_time(threadName, delay, counter):
while counter:
if exitFlag:
threadName.exit()
time.sleep(delay)
print "%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time()))
counter -= 1

# Create new threads
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# Start new Threads
thread1.start()
thread2.start()
print "Exiting Main Thread"

线程的同步

#!/usr/bin/python

import threading
import time

class myThread (threading.Thread):
def __init__(self, threadID, name, counter):
threading.Thread.__init__(self)
self.threadID = threadID
self.name = name
self.counter = counter
def run(self):
print "Starting " + self.name
# Get lock to synchronize threads
threadLock.acquire()
print_time(self.name, self.counter, 3)
# Free lock to release next thread
threadLock.release()

def print_time(threadName, delay, counter):
while counter:
time.sleep(delay)
print "%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time()))
counter -= 1

threadLock = threading.Lock()
threads = []

# Create new threads
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# Start new Threads
thread1.start()
thread2.start()

# Add threads to thread list
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

# Wait for all threads to complete
for t in threads:
t.join()
print "Exiting Main Thread"

利用multiprocessing多进程实现并行

进程的创建

Python 中有一套类似多线程API 的的类来进行多进程开发: multiprocessing

这里是一个来自官方文档的例子：

from multiprocessing import Process
def f(name):
print 'hello', name

if __name__ == '__main__':
p = Process(target=f, args=('bob',))
p.start()
p.join()

类似与线程，一可以通过继承process类来实现：

from multiprocessing import Process
class Worker(Process):
def run(self):
print("in" + self.name)

if __name__ == '__main__':
jobs = []
for i in range(5):
p = Worker()
jobs.append(p)
p.start()
for j in jobs:
j.join()

进程的通信

Pipe()

pipe()函数返回一对由双向通信的管道连接的对象，这两个对象通过send, recv 方法实现 信息的传递

from multiprocessing import Process, Pipe

def f(conn):
conn.send([42, None, 'hello'])
conn.close()

if __name__ == '__main__':
parent_conn, child_conn = Pipe()
p = Process(target=f, args=(child_conn,))
p.start()
print parent_conn.recv()   # prints "[42, None, 'hello']"
p.join()

Quene

from multiprocessing import Process, Queue
def f(q):
q.put([42, None, 'hello'])

if __name__ == '__main__':
q = Queue()
p = Process(target=f, args=(q,))
p.start()
print q.get()    # prints "[42, None, 'hello']"
p.join()

进程间的同步

Python 中多进程中也有类似线程锁的概念，使用方式几乎一样：

from multiprocessing import Process, Lock
def f(l, i):
l.acquire()
print 'hello world', i
l.release()
if __name__ == '__main__':
lock = Lock()
for num in range(10):
Process(target=f, args=(lock, num)).start()

进程间的共享内存

每个进程都有独自的内存，是不能相互访问的， 也行 python官方觉得通过进程通信的方式过于麻烦，提出了共享内存的概念，以下是官方给出的例子：

from multiprocessing import Process, Value, Array

def f(n, a):
n.value = 3.1415927
for i in range(len(a)):
a[i] = -a[i]

if __name__ == '__main__':
num = Value('d', 0.0)
arr = Array('i', range(10))

p = Process(target=f, args=(num, arr))
p.start()
p.join()

print num.value
print arr[:]

总结

python通过多进程实现多并行，充分利用多处理器，弥补了语言层面不支持多并行的缺点。Python, Node.js等解释型语言似乎都是通过这种方式来解决同一个时间，一个解释器只能处理一段程序的问题， 十分巧妙。