Python并行编程(十一)：基于进程的并行

1、基本概念

多进程主要用multiprocessing和mpi4py这两个模块。

multiprocessing是Python标准库中的模块，实现了共享内存机制，可以让运行在不同处理器核心的进程能读取共享内存。

mpi4py库实现了消息传递的编程范例(设计模式)。简单来说就是进程之间不靠任何共享信息来进行通讯，所有的交流都通过传递信息代替。

这与使用共享内存通讯、加锁或类似机制实现互斥的技术形成对比。在信息传递的代码中，进程通过send和receive进行交流。

2、创建一个进程

由父进程创建子进程。父进程既可以在产生子进程之后继续异步执行，也可以暂停等待子进程创建完成之后再继续执行。创建进程的步骤如下：

1. 创建进程对象

2. 调用start()方法，开启进程的活动

3. 调用join()方法，在进程结束之前一直等待

3、创建进程用例

# coding : utf-8

import multiprocessing

def foo(i):
    print('called function in process: %s' %i)
    return

if __name__ == '__main__':
    Process_jobs = []
    for i in range(5):
        p = multiprocessing.Process(target=foo, args=(i, ))
        Process_jobs.append(p)
        p.start()
        p.join()

运行结果：

创建进程对象的时候需要分配一个函数，作为进程的执行任务，本例为foo()。最后进程对象调用join()方法，如果没有join主进程退出之后子进程会留在idle中。

提示：为了预防无限递归调用，可以在不同脚本文件中定义目标函数，然后导入进来使用。

4、进程命名

进程命名和线程命名大同小异。

使用示例：

# coding:utf-8

import multiprocessing
import time

def foo():
    # get name of process
    name = multiprocessing.current_process().name
    print("Starting %s \n" %name)
    time.sleep(3)
    print("Exiting %s \n" %name)

if __name__ == '__main__':
    # create process with DIY name
    process_with_name = multiprocessing.Process(name='foo_process', target=foo)
    # process_with_name.daemon = True

    # create process with default name
    process_with_default_name = multiprocessing.Process(target=foo)

    process_with_name.start()
    process_with_default_name.start()

5、杀死一个进程

通过terminate方法杀死一个进程，也可以使用is_alive方法判断一个进程是否存活。

测试用例：

import multiprocessing, time

def foo():
    print('Starting function')
    time.sleep(0.1)
    print('Finished function')

if __name__ == '__main__':
    p = multiprocessing.Process(target=foo)
    print('Process before execution:', p, p.is_alive())
    p.start()
    print('Process running:', p, p.is_alive())
    p.terminate()
    print('Process terminated:', p, p.is_alive())
    p.join()
    print('Process joined:', p, p.is_alive())
    print('Process exit code:',p.exitcode)

运行结果：

正常结束返回值为0，且foo会被执行。exitcode为0为正常结束，为负表示信号杀死，大于0进程有错误。

6、子类中使用进程

实现一个自定义的进程子类，需要以下三步：

- 定义Process子类

- 覆盖__init__(self [,args])方法来添加额外的参数

- 覆盖run方法来实现Process启动的时候执行的任务

创建Process子类之后，可以创建它的实例。并且通过start方法启动它，启动之后会运行run方法。

测试用例：

# coding:utf-8

import multiprocessing

class MyProcess(multiprocessing.Process):
    def run(self):
        print('called run method in process: %s' %self.name)
        return

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

运行结果：

7、进程之间交换对象

并行应用常常需要在进程之间交换数据。Multiprocessing库有两个Communication Channel可以交换对象：队列queue和管道pipe。

使用队列交换对象：

Queue返回一个进程共享的队列，是线程安全的，也是进程安全的。任何可序列化的对象(Python通过pickable模块序列化对象)都可以通过它进行交换。

测试用例：

import multiprocessing
import random
import time

class Producer(multiprocessing.Process):
    def __init__(self, queue):
        multiprocessing.Process.__init__(self)
        self.queue = queue

    def run(self):
        for i in range(10):
            item = random.randint(0,256)
            self.queue.put(item)
            print("Process Producer:item %d appended to queue %s" %(item, self.name))
            time.sleep(1)
            print("The size of queue is %s" % self.queue.qsize())

class Consumer(multiprocessing.Process):
    def __init__(self, queue):
        multiprocessing.Process.__init__(self)
        self.queue = queue

    def run(self):
        while True:
            if self.queue.empty():
                print("The queue is empty")
                break
            else:
                time.sleep(2)
                item = self.queue.get()
                print("Process Consumer:item %d popped from by %s \n" %(item, self.name))
                time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    # create Queue in the main process
    queue = multiprocessing.Queue()
    # create
    process_producer = Producer(queue)
    process_consumer = Consumer(queue)

    process_producer.start()
    process_consumer.start()
    process_producer.join()
    process_consumer.join()

运行结果：

Process Producer:item 106 appended to queue Producer-1
The size of queue is 1
Process Producer:item 167 appended to queue Producer-1
The size of queue is 2
Process Producer:item 202 appended to queue Producer-1
Process Consumer:item 106 popped from by Consumer-2 

The size of queue is 2
Process Producer:item 124 appended to queue Producer-1
The size of queue is 3
Process Producer:item 19 appended to queue Producer-1
The size of queue is 4
Process Producer:item 5 appended to queue Producer-1
Process Consumer:item 167 popped from by Consumer-2 

The size of queue is 4
Process Producer:item 178 appended to queue Producer-1
The size of queue is 5
Process Producer:item 207 appended to queue Producer-1
The size of queue is 6
Process Producer:item 154 appended to queue Producer-1
Process Consumer:item 202 popped from by Consumer-2 

The size of queue is 6
Process Producer:item 228 appended to queue Producer-1
The size of queue is 7
Process Consumer:item 124 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 19 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 5 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 178 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 207 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 154 popped from by Consumer-2 

Process Consumer:item 228 popped from by Consumer-2 

The queue is empty

队列补充：

队列还有一个JoinaleQueue子类，有以下两个额外的方法：

- task_done()：此方法意味着之前入队的一个任务已经完成，比如，get方法从队列取回item之后调用。所以此方法只能被队列的消费者调用。

- join()：此方法将进程阻塞，直到队列中的item全部被取出并执行。

因为使用队列进行通信是一个单向的、不确定的过程，所以你不知道什么时候队列的元素被取出来了，所以使用task_done来表示队列里的一个任务已经完成，这个方法一般和join一起使用，当队列的所有任务都处理之后，也就是说put到队列的每个任务都调用task_done方法后，join才会完成阻塞。

JoinaleQueue测试用例：

from multiprocessing import Process, JoinableQueue
import time,random
def consumer(name, q):
    while True:
        time.sleep(1)
        get_res = q.get()
        print("%s got %s" %(name, get_res))
        q.task_done()

def producer(seq, q):
    for item in seq:
        # time.sleep(1)
        q.put(item)
        print("Produced %s" %item)
    # block main process and don't run "print("Ended")"
    q.join()

if __name__ == "__main__":
    q = JoinableQueue()
    seq = ("item-%s" %i for i in range(10))

    c1 = Process(target=consumer, args=("c1", q))
    c2 = Process(target=consumer, args=("c2", q))
    c3 = Process(target=consumer, args=("c3", q))

    c1.daemon = True
    c2.daemon = True
    c3.daemon = True

    c1.start()
    c2.start()
    c3.start()

    # start producer
    producer(seq,q)

    # run the command when all the item is consumed
    print("Ended")

使用管道交换对象：

一个管道可以做一下事情：

- 返回一对被管道连接的连接对象

- 然后对象使用send/receive方法可以在进程之间通信

简单示例：

import multiprocessing

def create_items(pipe):
    output_pipe, _ = pipe
    for item in range(10):
        output_pipe.send(item)
    output_pipe.close()

def multiply_items(pipe_1, pipe_2):
    close, input_pipe = pipe_1
    close.close()
    output_pipe, _ = pipe_2
    try:
        while True:
            item = input_pipe.recv()
            output_pipe.send(item * item)
    except EOFError:
        output_pipe.close()

if __name__ == "__main__":
    # The first pipe sends numbers
    pipe_1 = multiprocessing.Pipe(True)
    process_pipe_1 = multiprocessing.Process(target=create_items, args=(pipe_1,))
    process_pipe_1.start()

    # The second pipe receives numbers and Calculations
    pipe_2 = multiprocessing.Pipe(True)
    process_pipe_2 = multiprocessing.Process(target=multiply_items, args=(pipe_1, pipe_2))
    process_pipe_2.start()

    pipe_1[0].close()
    pipe_2[0].close()

    try:
        while True:
            # print(pipe_2)
            print(pipe_2[1].recv())
    except EOFError:
        print("End")

上述代码定义两个进程，一个发送数字0-9到管道pipe_1，另一个进程通过receive获取pipe_1的数字，并进行平方，然后将结果输出到管道pipe_2中。最后通过recv获取pipe_2的数据。