Python开发基础-Day32 进程间通信、进程池、协程

进程间通信

进程彼此之间互相隔离，要实现进程间通信（IPC），multiprocessing模块支持两种形式：队列和管道，这两种方式都是使用消息传递的。

进程队列queue

不同于线程queue，进程queue的生成是用multiprocessing模块生成的。

在生成子进程的时候，会将代码拷贝到子进程中执行一遍，及子进程拥有和主进程内容一样的不同的名称空间。

示例1：

 import multiprocessing
 def foo():
     q.put([11,'hello',True])
     print(q.qsize())

 q=multiprocessing.Queue() #全局定义一个q进程队列，在产生子进程时候会在子进程里生成，可以指定最大数，限制队列长度
 if __name__ == '__main__':
     p=multiprocessing.Process(target=foo,args=()) #因为名称空间不同，子进程的主线程创建的q队列，主进程get不到，所以会阻塞住
     p.start()
     # foo() #主进程执行一下函数就可以访问到了
     print(q.get())

示例2：

 import multiprocessing

 def foo():
     q.put([11,'hello',True])
     print(q.qsize())

 if __name__ == '__main__':
     q = multiprocessing.Queue() #主进程创建一个q进程队列
     p=multiprocessing.Process(target=foo,args=()) #因为名称空间不同，子进程的主线程找不到q队列，所以会报错提示没有q
     p.start()
     print(q.get())

示例3：

 import multiprocessing

 def foo(argument):      #定义函数处理进程队列
     argument.put([11,'hello',True])
     print(argument.qsize())
 q = multiprocessing.Queue() #全局定义一个进程队列
 print('test')

 if __name__ == '__main__':
     x = multiprocessing.Queue()   #主进程定义一个进程队列
     p=multiprocessing.Process(target=foo,args=(x,))     #主进程把值传给子进程就可以处理了
     p.start()
     print(x.get())
     # foo(q)
     # print(q.get())

常用方法

q.put方法用以插入数据到队列中，put方法还有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，该方法会阻塞timeout指定的时间，直到该队列有剩余的空间。如果超时，会抛出Queue.Full异常。如果blocked为False，但该Queue已满，会立即抛出Queue.Full异常。
q.get方法可以从队列读取并且删除一个元素。同样，get方法有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，那么在等待时间内没有取到任何元素，会抛出Queue.Empty异常。如果blocked为False，有两种情况存在，如果Queue有一个值可用，则立即返回该值，否则，如果队列为空，则立即抛出Queue.Empty异常.
q.get_nowait():同q.get(False)
q.put_nowait():同q.put(False)
q.empty():调用此方法时q为空则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中又加入了项目。
q.full()：调用此方法时q已满则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中的项目被取走。
q.qsize():返回队列中目前项目的正确数量，结果也不可靠，理由同q.empty()和q.full()一样

其他方法

q.cancel_join_thread():不会在进程退出时自动连接后台线程。可以防止join_thread()方法阻塞
q.close():关闭队列，防止队列中加入更多数据。调用此方法，后台线程将继续写入那些已经入队列但尚未写入的数据，但将在此方法完成时马上关闭。如果q被垃圾收集，将调用此方法。关闭队列不会在队列使用者中产生任何类型的数据结束信号或异常。例如，如果某个使用者正在被阻塞在get()操作上，关闭生产者中的队列不会导致get()方法返回错误。
q.join_thread()：连接队列的后台线程。此方法用于在调用q.close()方法之后，等待所有队列项被消耗。默认情况下，此方法由不是q的原始创建者的所有进程调用。调用q.cancel_join_thread方法可以禁止这种行为

另一个创建进程队列的类

http://www.cnblogs.com/zero527/p/7211909.html

管道pipe

管道就是管道，就像生活中的管道，两头都能进能出

默认管道是全双工的，如果创建管道的时候映射成False，左边只能用于接收，右边只能用于发送，类似于单行道

最简单的管道双向通信示例：

 import multiprocessing

 def foo(sk):
     sk.send('hello world')
     print(sk.recv())

 if __name__ == '__main__':
     conn1,conn2=multiprocessing.Pipe()    #开辟两个口，都是能进能出，括号中如果False即单向通信
     p=multiprocessing.Process(target=foo,args=(conn1,))  #子进程使用sock口，调用foo函数
     p.start()
     print(conn2.recv())  #主进程使用conn口接收
     conn2.send('hi son') #主进程使用conn口发送

常用方法

conn1.recv():接收conn2.send(obj)发送的对象。如果没有消息可接收，recv方法会一直阻塞。如果连接的另外一端已经关闭，那么recv方法会抛出EOFError。
conn1.send(obj):通过连接发送对象。obj是与序列化兼容的任意对象
注意：send()和recv()方法使用pickle模块对对象进行序列化

其他方法

conn1.close():关闭连接。如果conn1被垃圾回收，将自动调用此方法,不用的时候两边都要close

conn1.fileno():返回连接使用的整数文件描述符

conn1.poll([timeout]):如果连接上的数据可用，返回True。timeout指定等待的最长时限。如果省略此参数，方法将立即返回结果。如果将timeout射成None，操作将无限期地等待数据到达。

conn1.recv_bytes([maxlength]):接收c.send_bytes()方法发送的一条完整的字节消息。maxlength指定要接收的最大字节数。如果进入的消息，超过了这个最大值，将引发IOError异常，并且在连接上无法进行进一步读取。如果连接的另外一端已经关闭，再也不存在任何数据，将引发EOFError异常。

conn.send_bytes(buffer [, offset [, size]])：通过连接发送字节数据缓冲区，buffer是支持缓冲区接口的任意对象，offset是缓冲区中的字节偏移量，而size是要发送字节数。结果数据以单条消息的形式发出，然后调用c.recv_bytes()函数进行接收    

conn1.recv_bytes_into(buffer [, offset]):接收一条完整的字节消息，并把它保存在buffer对象中，该对象支持可写入的缓冲区接口（即bytearray对象或类似的对象）。offset指定缓冲区中放置消息处的字节位移。返回值是收到的字节数。如果消息长度大于可用的缓冲区空间，将引发BufferTooShort异常。

注意：生产者和消费者都没有使用管道的某个端点，就应该将其关闭，如在生产者中关闭管道的右端，在消费者中关闭管道的左端。如果忘记执行这些步骤，程序可能再消费者中的recv()操作上挂起。管道是由操作系统进行引用计数的,必须在所有进程中关闭管道后才能生产EOFError异常。因此在生产者中关闭管道不会有任何效果，付费消费者中也关闭了相同的管道端点。

 from multiprocessing import Process,Pipe

 import time,os
 def consumer(p,name):
     left,right=p
     left.close()
     while True:
         try:
             baozi=right.recv()
             print('%s 收到包子:%s' %(name,baozi))
         except EOFError:
             right.close()
             break
 def producer(seq,p):
     left,right=p
     right.close()
     for i in seq:
         left.send(i)
         # time.sleep(1)
     else:
         left.close()
 if __name__ == '__main__':
     left,right=Pipe()
     c1=Process(target=consumer,args=((left,right),'c1'))
     c1.start()
     seq=(i for i in range(10))
     producer(seq,(left,right))
     right.close()
     left.close()
     c1.join()
     print('主进程')

生产者消费者关闭某端点

共享数据manage

Queue和pipe只是实现了数据交互，并没实现数据共享，即一个进程去更改另一个进程的数据。

注：进程间通信应该尽量避免使用共享数据的方式

共享数据：列表

 from multiprocessing import Manager,Process
 def foo(l,i):
     l.append(i**i)
 if __name__ == '__main__':
     man=Manager()
     ml=man.list([11,22,33])
     l=[]
     for i in range(5):
         p=Process(target=foo,args=(ml,i))
         p.start()
         l.append(p)
     for i in l: #必须要join，不然会执行报错，处理一个数据必须要一个个来，不能同时处理一个数据
         i.join()
     print(ml)

共享数据：字典

 from multiprocessing import Manager,Process
 def foo(d,k,v):
     d[k]=v
 if __name__ == '__main__':
     man=Manager()
     md=man.dict({'name':'bob'})
     l=[]
     for i in range(5):
         p=Process(target=foo,args=(md,i,'a'))
         p.start()
         l.append(p)
     for i in l: #必须要join，不然会执行报错，处理一个数据必须要一个个来，不能同时处理一个数据
         i.join()
     print(md)

进程池

开多进程是为了并发，通常有几个cpu核心就开几个进程，但是进程开多了会影响效率，主要体现在切换的开销，所以引入进程池限制进程的数量。

进程池内部维护一个进程序列，当使用时，则去进程池中获取一个进程，如果进程池序列中没有可供使用的进进程，那么程序就会等待，直到进程池中有可用进程为止。

示例：

 from multiprocessing import Pool
 import time

 def foo(n):
     print(n)
     time.sleep(1)

 if __name__ == '__main__':
     pool_obj=Pool(5)    #
     for i in range(47):
         # pool_obj.apply_async(func=foo,args=(i,))
         pool_obj.apply(func=foo,args=(i,))    #子进程的生成是靠进程池对象维护的
         # apply同步，子进程一个个执行
         # apply_async异步，多个子进程一起执行
     pool_obj.close()
     pool_obj.join()
     print('ending')

常用方法：

pool_obj.apply(func [, args [, kwargs]]):在一个池工作进程中执行func(*args,**kwargs),然后返回结果。需要强调的是：此操作并不会在所有池工作进程中并执行func函数。如果要通过不同参数并发地执行func函数，必须从不同线程调用p.apply()函数或者使用p.apply_async()
pool_obj.apply_async(func [, args [, kwargs]]):在一个池工作进程中执行func(*args,**kwargs),然后返回结果。此方法的结果是AsyncResult类的实例，callback是可调用对象，接收输入参数。当func的结果变为可用时，将理解传递给callback。callback禁止执行任何阻塞操作，否则将接收其他异步操作中的结果。
pool_obj.close():关闭进程池，防止进一步操作。如果所有操作持续挂起，它们将在工作进程终止前完成
pool_obj.jion():等待所有工作进程退出。此方法只能在close（）或teminate()之后调用

其他方法：

方法apply_async()和map_async（）的返回值是AsyncResul的实例obj。实例具有以下方法
obj.get():返回结果，如果有必要则等待结果到达。timeout是可选的。如果在指定时间内还没有到达，将引发一场。如果远程操作中引发了异常，它将在调用此方法时再次被引发。
obj.ready():如果调用完成，返回True
obj.successful():如果调用完成且没有引发异常，返回True，如果在结果就绪之前调用此方法，引发异常
obj.wait([timeout]):等待结果变为可用。
obj.terminate()：立即终止所有工作进程，同时不执行任何清理或结束任何挂起工作。如果p被垃圾回收，将自动调用此函数

协程

协程：是单线程下的并发，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

一句话说明什么是线程：协程是一种用户态的轻量级线程，即协程是由用户程序自己控制调度的。

协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。

注意：

　　1. python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度（如单线程一旦遇到io就被迫交出cpu执行权限，切换其他线程运行）

　　2. 单线程内开启协程，一旦遇到io，从应用程序级别（而非操作系统）控制切换

协程优点：

　　1.  协程的切换开销更小，属于程序级别的切换，操作系统完全感知不到，因而更加轻量级

　　2. 单线程内就可以实现并发的效果，最大限度地利用cpu

协程缺点：

　　1.协程的本质是单线程下，无法利用多核，可以是一个程序开启多个进程，每个进程内开启多个线程，每个线程内开启协程

　　2.协程指的是单个线程，因而一旦协程出现阻塞，将会阻塞整个线程

yield实现协程并发

 import time
 def consumer():
     r=''
     while True:
         n=yield r
         if not n:
             return
         print('[CONSUMER] ←← Consuming %s...' % n)
         time.sleep(1)
         r='200 Ok'

 def produce(c):
     next(c) #1.启动生成器
     n=0
     while n < 5:
         n=n+1
         print('[PRODUCER] →→ Producing %s...' % n)
         cr=c.send(n)
         #2.将n传入到consumer的对象，yield接收到传入值开始执行代码，遇到yield执行代码返回r的值
         print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % cr)
     #3.produce没有值了，关闭整个过程
     c.close()

 if __name__ == '__main__':
     c=consumer()    #生成生成器对象
     produce(c)      #执行调用

greenlet框架实现协程（封装yield的基础库）

greenlet机制的主要思想是：生成器函数或者协程函数中的yield语句挂起函数的执行，直到稍后使用next()或send()操作进行恢复为止。可以使用一个调度器循环在一组生成器函数之间协作多个任务。greentlet是python中实现我们所谓的"Coroutine(协程)"的一个基础库。

示例1：

 from greenlet import  greenlet
 def foo():
     print('ok1')
     g2.switch() #阻断
     print('ok3')
     g2.switch()
 def bar():
     print('ok2')
     g1.switch()
     print('ok4')

 g1=greenlet(foo)    #生成foo函数的greenlet对象
 g2=greenlet(bar)    #生成bar函数的greenlet对象
 g1.switch() #1、执行g1对象，打印ok1
             #2、遇到g2.switch()，转到g2执行打印ok2
             #3、遇到g1.switch(),转到g1的阻断处继续执行打印ok3
             #4、遇到g2.switch()，转到g2执行打印ok4

示例2：

 def eat(name):
     print('%s eat food 1' %name)
     gr2.switch('bob')
     print('%s eat food 2' %name)
     gr2.switch()
 def play_phone(name):
     print('%s play 1' %name)
     gr1.switch()
     print('%s play 2' %name)

 gr1=greenlet(eat)
 gr2=greenlet(play_phone)
 gr1.switch(name='natasha')#可以在第一次switch时传入参数，以后都不需要

这种方法不会节省时间，因为不是io操作，而greenlet遇到io操作不会跳转，仍然要io阻断

基于greenlet框架的高级库gevent模块

gevent是第三方库，通过greenlet实现协程，其基本思想是：

当一个greenlet遇到IO操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO。

由于切换是在IO操作时自动完成，所以gevent需要修改Python自带的一些标准库，这一过程在启动时通过monkey patch完成：

简单示例：

 import gevent
 def foo():
     print('ok1')
     gevent.sleep(4) #模拟io操作
     print('ok3')
 def bar():
     print('ok2')
     gevent.sleep(2)
     print('ok4')

 g1=gevent.spawn(foo)
 g2=gevent.spawn(bar)
 gevent.joinall([g1,g2]) #全部阻塞，或者单独一个个join

spawn括号内第一个参数是函数名，如foo，后面可以有多个参数，可以是位置实参或关键字实参，都是传给函数foo的

注意：

gevent.sleep(4)模拟的是gevent可以识别的io阻塞,

而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码,打补丁,就可以识别了

 #补丁
 from gevent import monkey
 monkey.patch_all()

必须放到被打补丁者的前面，如time，socket模块之前

或者我们干脆记忆成：要用gevent，需要将补丁放到文件的开头

爬虫示例：

 from gevent import monkey;monkey.patch_all()
 import gevent
 import requests
 import time

 def get_page(url):
     print('GET: %s' %url)
     response=requests.get(url)
     if response.status_code == 200:
         print('%d bytes received from %s' %(len(response.text),url))

 start_time=time.time()
 gevent.joinall([
     gevent.spawn(get_page,'https://www.python.org/'),
     gevent.spawn(get_page,'https://www.yahoo.com/'),
     gevent.spawn(get_page,'https://github.com/'),
 ])
 stop_time=time.time()
 print('run time is %s' %(stop_time-start_time))

gevent是一个基于协程（coroutine）的Python网络函数库，通过使用greenlet提供了一个在libev事件循环顶部的高级别并发API。

主要特性有以下几点：

<1> 基于libev的快速事件循环，Linux上面的是epoll机制

<2> 基于greenlet的轻量级执行单元

<3> API复用了Python标准库里的内容

<4> 支持SSL的协作式sockets

<5> 可通过线程池或c-ares实现DNS查询

<6> 通过monkey patching功能来使得第三方模块变成协作式

gevent.spawn()方法spawn一些jobs，然后通过gevent.joinall将jobs加入到微线程执行队列中等待其完成，设置超时为2秒。执行后的结果通过检查gevent.Greenlet.value值来收集。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝二
1、关于Linux的epoll机制：

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的
增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。epoll的优点：

（1）支持一个进程打开大数目的socket描述符。select的一个进程所打开的FD由FD_SETSIZE的设置来限定，而epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是
最大可打开文件的数目，远大于2048。

（2）IO效率不随FD数目增加而线性下降：由于epoll只会对“活跃”的socket进行操作，于是，只有”活跃”的socket才会主动去调用 callback函数，其他
idle状态的socket则不会。

（3）使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。

（4）内核微调。

2、libev机制

提供了指定文件描述符事件发生时调用回调函数的机制。libev是一个事件循环器：向libev注册感兴趣的事件，比如socket可读事件，libev会对所注册的事件
的源进行管理，并在事件发生时触发相应的程序。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝三

‘’‘

import gevent

            from gevent import socket

            urls = [‘www.google.com.hk’,’www.example.com’, ‘www.python.org’ ]

            jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]

            gevent.joinall(jobs, timeout=2)

            [job.value for job in jobs]

[‘74.125.128.199’, ‘208.77.188.166’, ‘82.94.164.162’]

            ’‘’

gevent.spawn()方法spawn一些jobs，然后通过gevent.joinall将jobs加入到微线程执行队列中等待其完成，设置超时为2秒。执行后的结果通过检查gevent.Greenlet.value值来收集。gevent.socket.gethostbyname()函数与标准的socket.gethotbyname()有相同的接口，但它不会阻塞整个解释器，因此会使得其他的greenlets跟随着无阻的请求而执行。

Monket patching

Python的运行环境允许我们在运行时修改大部分的对象，包括模块、类甚至函数。虽然这样做会产生“隐式的副作用”，而且出现问题很难调试，但在需要修改Python本身的基础行为时，Monkey patching就派上用场了。Monkey patching能够使得gevent修改标准库里面大部分的阻塞式系统调用，包括socket,ssl,threading和select等模块，而变成协作式运行。

from gevent import monkey ;

monkey . patch_socket ()

import urllib2

通过monkey.patch_socket()方法，urllib2模块可以使用在多微线程环境，达到与gevent共同工作的目的。

事件循环

不像其他网络库，gevent和eventlet类似， 在一个greenlet中隐式开始事件循环。没有必须调用run()或dispatch()的反应器(reactor)，在twisted中是有 reactor的。当gevent的API函数想阻塞时，它获得Hub实例(执行时间循环的greenlet),并切换过去。如果没有集线器实例则会动态 创建。

libev提供的事件循环默认使用系统最快轮询机制，设置LIBEV_FLAGS环境变量可指定轮询机制。LIBEV_FLAGS=1为select， LIBEV_FLAGS = 2为poll， LIBEV_FLAGS = 4为epoll,LIBEV_FLAGS = 8为kqueue。

Libev的API位于gevent.core下。注意libev API的回调在Hub的greenlet运行，因此使用同步greenlet的API。可以使用spawn()和Event.set()等异步API。

补充