python并发编程-进程池线程池-协程-I/O模型-04

目录

• 进程池线程池的使用*****
  • 进程池/线程池的创建和提交回调
  • 验证复用池子里的线程或进程
  • 异步回调机制
  • 通过闭包给回调函数添加额外参数（扩展）
• 协程***
  • 概念回顾(协程这里再理一下)
  • 如何实现协程
    • 生成器的yield 可以实现保存状态(行不通)
    • gevent模块实现
      • 模块安装下载
      • gevent基本介绍
      • 通过gevent实现遇到 IO自动切换状态（单线程下并发）
      • 在计算密集型任务中使用
  • 利用gevent在单线程下实现并发(协程)
• I/O 模型（只放了几张图）
  • 阻塞I/O模型
  • 非阻塞I/O模型
  • 多路复用I/O模型
  • 信号驱动I/O模型
  • 异步I/O模型

进程池线程池的使用*****

无论是开线程还是开进程都会消耗资源，即使开线程消耗的资远比开进程的少

而物理设备的性能是有限的，虽然可以加设备来提升上限，但如果像淘宝双十一那样，只有很少的时刻需要大量的资源，为了满足这个去买一大堆服务器显然是不划算的

（计算机中）池的目的：在保证计算机硬件安全的情况下最大限度的利用计算机硬件，池其实是降低了程序的运行效率，但是保证了计算机硬件的安全（硬件的发展跟不上软件的速度）

进程池线程池的目的：为了限制开设的进程数和线程数，从而保证计算机硬件的安全

进程池/线程池的创建和提交回调

import random
import time
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, ProcessPoolExecutor

def task(i):
    time.sleep(random.random())
    print(f"{i} is over...")
    return f"{i}² = {i * i}"

if __name__ == '__main__':  # 进程池的时候一定要放在这里面
    '''不放报错 concurrent.futures.process.BrokenProcessPool: A process in the process pool was terminated abruptly while the future was running or pending.'''

    # -------------------------------------------------
    # 1.实例化进程池/线程池对象，并限制进程池/线程池中进程/线程数量
    # -------------------------------------------------
    # pool = ThreadPoolExecutor(3, 'MyThread-')  # 不指定参数的情况下，默认是当前 CPU个数*5 ， 也可以指定线程个数
    pool = ProcessPoolExecutor(3)  # 不指定参数的情况下，默认是当前 CPU个数 ， 也可以指定进程个数（创进程不能传第二个参数）

    # for i in range(5):
    #     # -------------------------------------------------
    #     # 2.线程池对象.submit() 异步提交任务
    #     #   提交任务的两种方式
    #     #       同步：提交完任务之后，在原地等待任务的返回结果，再继续执行下一步代码
    #     #       异步：提交任务之后，不等待任务的返回结果（这个结果怎么拿？），直接进行下一步操作
    #     # -------------------------------------------------
    #     pool.submit(task, i)
    # print("主")
    #
    # # 0 is running...
    # # 1 is running...
    # # 2 is running...
    # # 主
    # # 1 is over...
    # # 3 is running...
    # # 0 is over...
    # # 4 is running...
    # # 4 is over...
    # # 3 is over...
    # # 2 is over...

    # for i in range(5):
    #     future = pool.submit(task, i)
    #     # print(future)  # <Future at 0x21a130dbb00 state=running>   <Future at 0x21a1321ec50 state=pending>
    #     # -------------------------------------------------
    #     # future = pool.submit(task, i)
    #     # future.result()       接收返回值并获取回调值
    #     # -------------------------------------------------
    #     print(future.result())
    # print("主")
    # # 0 is running...
    # # 0 is over...
    # # 0² = 0
    # # 1 is running...
    # # 1 is over...
    # # 1² = 1
    # # 2 is running...
    # # 2 is over...
    # # 2² = 4
    # # 3 is running...
    # # 3 is over...
    # # 3² = 9
    # # 4 is running...
    # # 4 is over...
    # # 4² = 16
    # # 主

    # future_list = []
    # for i in range(5):
    #     future = pool.submit(task, i)
    #     future_list.append(future)
    #
    # for future in future_list:
    #     print(f">>:{future.result()}")  # 依次等每个 future的结果，所以是绝对有序的
    # print("主")
    # # 0 is running...
    # # 1 is running...
    # # 2 is running...
    # # 0 is over...
    # # 3 is running...
    # # >>:0² = 0
    # # 1 is over...
    # # 4 is running...
    # # >>:1² = 1
    # # 4 is over...
    # # 2 is over...
    # # >>:2² = 4
    # # 3 is over...
    # # >>:3² = 9
    # # >>:4² = 16
    # # 主

    future_list = []
    for i in range(5):
        future = pool.submit(task, i)
        future_list.append(future)

    pool.shutdown()  # 关闭池子且等待池子中所有的任务运行完毕

    for future in future_list:
        print(f">>:{future.result()}")  # 依次等每个 future的结果，所以是绝对有序的
    print("主")
    # 0 is running...
    # 1 is running...
    # 2 is running...
    # 2 is over...
    # 3 is running...
    # 0 is over...
    # 4 is running...
    # 4 is over...
    # 1 is over...
    # 3 is over...
    # >>:0² = 0
    # >>:1² = 1
    # >>:2² = 4
    # >>:3² = 9
    # >>:4² = 16
    # 主

验证复用池子里的线程或进程

池子中创建的进程或线程创建一次就不会再创建了，至始至终用的都是最初的那几个，这样的话就可以节省反复开辟进程或线程的资源了

不是动态创建动态销毁的（如果是好几百个，可想而知）

import random
import time
import os
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, ProcessPoolExecutor
from threading import current_thread

def task(i):
    time.sleep(random.random())
    # print(f"{os.getpid()} {i} is over...")
    print(f"{os.getpid()} {current_thread().name} {i} is over...")
    return f"{i}² = {i * i}"

if __name__ == '__main__':  # 进程池的时候一定要放在这里面
    # pool = ProcessPoolExecutor(3)
    pool = ThreadPoolExecutor(3, 'MyThreading')

    future_list = []
    for i in range(5):
        future = pool.submit(task, i)
        future_list.append(future)

    pool.shutdown()  # 关闭池子且等待池子中所有的任务运行完毕

    for future in future_list:
        print(f">>:{future.result()}")  # 依次等每个 future的结果，所以是绝对有序的
    print("主")
# 11000 0 is over...  # 复用了进程号（即没有去开辟新的内存空间）
# 8024 2 is over...
# 10100 1 is over...
# 11000 3 is over...
# 8024 4 is over...
# >>:0² = 0
# >>:1² = 1
# >>:2² = 4
# >>:3² = 9
# >>:4² = 16
# 主

# 使用线程池的打印结果
# 13024 MyThreading_1 1 is over...  # 1.复用了线程
# 13024 MyThreading_1 3 is over...  # 2.复用了线程
# 13024 MyThreading_2 2 is over...
# 13024 MyThreading_0 0 is over...
# 13024 MyThreading_1 4 is over...
# >>:0² = 0
# >>:1² = 1
# >>:2² = 4
# >>:3² = 9
# >>:4² = 16
# 主

异步回调机制

这(.add_done_callback())其实是 .submit() 返回结果对象的方法

异步回调机制：当异步提交的任务有返回结果之后，会自动触发回调函数的执行

import random
import time
import os
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, ProcessPoolExecutor
from threading import current_thread

def callback(future):
    print(f"我拿到了回调结果：{future.result()}")

def task(i):
    time.sleep(random.random())
    # print(f"{os.getpid()} {i} is over...")
    print(f"{os.getpid()} {current_thread().name} {i} is over...")
    return f"{i}² = {i * i}"

if __name__ == '__main__':  # 进程池的时候一定要放在这里面
    # pool = ProcessPoolExecutor(3)
    pool = ThreadPoolExecutor(3, 'MyThreading')

    future_list = []
    for i in range(5):
        # -----------------------------------------------------
        # .submit().add_done_callback() 自动调用回调函数
        #   会自动将 .submit()的返回结果作为参数传给.add_done_callback() 中传入的函数去调用执行
        #       .add_done_callback() 其实是 .submit()返回对象自身的方法
        # -----------------------------------------------------
        future = pool.submit(task, i).add_done_callback(callback)
        future_list.append(future)

    pool.shutdown()  # 关闭池子且等待池子中所有的任务运行完毕

    print("主")

# 11348 MyThreading_0 0 is over...
# 我拿到了回调结果：0² = 0
# 11348 MyThreading_2 2 is over...
# 我拿到了回调结果：2² = 4
# 11348 MyThreading_0 3 is over...
# 我拿到了回调结果：3² = 9
# 11348 MyThreading_1 1 is over...
# 我拿到了回调结果：1² = 1
# 11348 MyThreading_2 4 is over...
# 我拿到了回调结果：4² = 16
# 主

通过闭包给回调函数添加额外参数（扩展）

# 省略导模块等
# 线程池/进程池对象.submit() 会返回一个 future对象，该对象有.add_done_callback()方法（是一个对象绑定函数），参数是一个函数名（除了对象自身默认传入，无法为该函数传参）
# 这里利用闭包函数返回内部函数名的特点 直接调用这个闭包函数，达到传参的效果，可为回调函数添加更多的扩展性
def outter(*args, **kwargs):
    def callback(res):
        # 可以拿到 *args, **kwargs 参数做一些事情
        print(res.result())
    return callback

pool_list = []
for i in range(15):
    pool_list.append(pool.submit(task, i).add_done_callback(outter(1, 2, 3, a=1, c=3)))  # 朝线程池中提交任务(异步)

协程***

后期项目支持高并发可能才会用到

概念回顾(协程这里再理一下)

进程：资源单位（车间）

线程：操作系统的最小执行单位（流水线）

协程：单线程下实现并发的效果（完全是技术人员编造出来的名词）

并发：看起来像同时执行（多道技术核心：切换+保存状态）

协程：通过代码层面自己监测程序中的I/O行为，自己实现切换，让操作系统误认为这个线程没有I/O，从而保证程序在运行态和就绪态来回切换（不进入阻塞态），更大限度地利用CPU，最大程度上提高线程的执行效率

切换+保存状态就一定能够提升效率吗？

​ 切换+保存状态 不一定能提升程序的效率

• 当任务是计算密集型，反而会降低效率
• 如果是IO密集型，会提升效率

如何实现协程

生成器的yield 可以实现保存状态(行不通)

但，效率更低了

# # 串行执行
# import time
#
#
# def func1():
#     for i in range(10000000):
#         i + 1
#
#
# def func2():
#     for i in range(10000000):
#         i + 1
#
#
# start = time.time()
# func1()
# func2()
# stop = time.time()
# print(stop - start)
# # 1.2481744289398193

# 基于yield并发执行
import time

def func1():
    while True:
        10000000 + 1
        yield

def func2():
    g = func1()
    for i in range(10000000):
        i + 1
        next(g)

start = time.time()
func2()
stop = time.time()
print(stop - start)
# 1.9084477424621582

gevent模块实现

模块安装下载

搜索并下载（这里是因为我配了两个镜像源，所以出来了两个选项，随便选一个）

gevent基本介绍

from gevent import spawn, monkey
monkey.patch_all()  # 一般这个要写在很前面(例如导socket模块之前)
# 两行亦可写成一行 from gevent import monkey;monkey.patch_all()

g1 = spawn(eat, 1, 2, 3, x=4, y=5)
# 创建一个协程对象g1，spawn括号内第一个参数是函数名，如eat，后面是该函数（eat）所需要的参数
g2 = spawn(func2)

g1.join()  # 等待协程g1结束
g2.join()  # 等待协程g2结束
# 上述两步亦可合作一步：joinall([g1,g2])

g1.value  # 拿到eat函数执行的返回值

通过gevent实现遇到 IO自动切换状态（单线程下并发）

import time

from gevent import spawn
# gevent 本身识别不了time.sleep() 等不属于该模块内的I/O操作
# 使用下面的操作来支持
from gevent import monkey
monkey.patch_all()  # 监测代码中所有 I/O 行为

def heng(name):
    print(f"{name} 哼")
    time.sleep(2)
    print(f"{name} 哼 ...")

def ha(name):
    print(f"{name} 哈")
    time.sleep(3)
    print(f"{name} 哈 ...")

# start_time = time.time()
# heng('egon')
# ha('jason')
# print(f"主 {time.time() - start_time}")
# # 主 5.005069732666016

start_time = time.time()
s1 = spawn(heng, 'egon')
s2 = spawn(ha, 'jason')
s1.join()
s2.join()

print(f"主 {time.time() - start_time}")
# 主 3.0046989917755127

在计算密集型任务中使用

from gevent import spawn, monkey

monkey.patch_all()

import time

def func1():
    for i in range(10000000):
        i + 1

def func2():
    for i in range(10000000):
        i + 1

start = time.time()
g = spawn(func1)
g2 = spawn(func2)
g.join()
g2.join()
stop = time.time()
print(stop - start)
# 1.1324069499969482

# 与前面普通的串行执行时间 1.2481744289398193 相近

利用gevent在单线程下实现并发(协程)

服务端

import socket
from gevent import spawn
from gevent import monkey  # 让 gevent 能够识别python的 IO
monkey.patch_all()

server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1', 8080))
server.listen(5)

def talk(conn):
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data) == 0: break
            print(data.decode('utf-8'))
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError as e:
            print(e)
            break
    conn.close()

def wait_client_connect():
    while True:
        conn, addr = server.accept()
        spawn(talk, conn)

if __name__ == '__main__':
    g1 = spawn(wait_client_connect)
    g1.join()  # 别忘了加上

客户端

import socket
from threading import Thread, current_thread

def create_client():
    client = socket.socket()
    client.connect(('127.0.0.1', 8080))
    n = 0
    while True:
        data = '%s %s' % (current_thread().name, n)
        client.send(data.encode('utf-8'))
        res = client.recv(1024)
        print(res.decode('utf-8'))
        n += 1

for i in range(400):  # 手动开400个线程连接客户端（测试的是服务端单线程实现并发）
    t = Thread(target=create_client)
    t.start()

最大程度下提高代码的执行效率（实现高并发）

• 多进程下使用多线程
• 多线程下使用多协程

大前提

IO密集型任务

I/O 模型（只放了几张图）

此部分内容摘抄自博客： Python从入门到精通之IO模型

程序间数据交互，本质上数据都是从内存中取的(包括socket的recv等)

阻塞I/O模型

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。

而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

非阻塞I/O模型

从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是用户就可以在本次到下次再发起read询问的时间间隔内做其他事情，或者直接再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存（这一阶段仍然是阻塞的），然后返回。

---

也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

多路复用I/O模型

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

信号驱动I/O模型

涉及太少，暂不做了解

异步I/O模型

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。