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Python几种并发实现方案的性能比较
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1. 前言
偶然看到Erlang vs. Stackless python: a first benchmark，对Erlang和Stackless Python的并发处理性能进行了实验比较，基本结论认为二者有比较相近的性能。我看完产生的问题是，Stackless python与Python的其他并发实现机制性能又会有多大区别呢，比如线程和进程。因此我采用与这篇文章相同的办法来对Stackless Python、普通Python的thread模块、普通Python的threading模块、普通Python的processing模块这四种并发实现方案进行了性能实验，并将实验过程和基本结果记录在这里。
后来看到了基于greenlet实现的高性能网络框架Eventlet，因而更新了实验方案，将greenlet也加入了比较，虽然greenlet并非是一种真正意义上的并发处理，而是在单个线程下对程序块进行切换轮流执行。
2. 实验方案
实验方案与Erlang vs. Stackless python: a first benchmark是相同的，用每种方案分别给出如下问题的实现，记录完成整个处理过程的总时间来作为评判性能的依据：
- 由n个节点组成一个环状网络，在上面传送共m个消息。
- 将每个消息（共m个），逐个发送给1号节点。
- 第1到n-1号节点在接收到消息后，都转发给下一号节点。
- 第n号节点每次收到消息后，不再继续转发。
- 当m个消息都从1号逐个到达第n号节点时，认为全部处理结束。
2.1 硬件平台
Macbook Pro 3,1上的Vmware Fusion 1.0虚拟机中，注意这里给虚拟机只启用了cpu的单个核心：
- 原始Cpu：Core 2 Duo，2.4 GHz，2核心，4 MB L2 缓存，总线速度800 MHz
- 分配给虚拟机的内存：796M
2.2 软件平台
Vmware Fusion 1.0下的Debian etch：
- 原始Python：Debian发行版自带Python 2.4.4
- Python 2.4.4 Stackless 3.1b3 060516
- processing-0.52-py2.4-linux-i686.egg
- 原始Python下的greenlet实现：py lib 0.9.2
3. 实验过程及结果
各方案的实现代码见后文。实验时使用time指令记录每次运行的总时间，选用的都是不做任何输出的no_io实现（Python的print指令还是挺耗资源的，如果不注释掉十有八九得影响测试结果），每次执行时设定n=300，m=10000（Erlang vs. Stackless python: a first benchmark文章中认为n可以设置为300，m则可以取10000到90000之间的数值分别进行测试）。
3.1 Stackless Python的实验结果
real0m4.749s
user0m4.716s
sys0m0.028s
3.2 使用thread模块的实验结果
real1m9.222s
user0m34.418s
sys0m34.622s
也有时这样：
real3m43.539s
user0m15.345s
sys3m27.953s
3.5 greenlet模块的实验结果
real 0m21.610s
user 0m20.713s
sys 0m0.215s
4. 结论与分析
4.1 Stackless Python
毫无疑问，Stackless Python几乎有匪夷所思的并发性能，比其他方案快上几十倍，而且借助Stackless Python提供的channel机制，实现也相当简单。也许这个结果向我们部分揭示了沈仙人基于Stackless Python实现的Eurasia3能够提供相当于C语言效果的恐怖并发性能的原因。
4.2 Python线程
从道理上来讲，thread模块似乎应该和threading提供基本相同的性能，毕竟threading只是对thread的一种封装嘛，后台机制应该是一致的。或许threading由于本身类实例维护方面的开销，应该会比直接用thread慢一点。从实验结果来看，二者性能也确实差不多。只是不大明白为何threading方案的测试结果不是很稳定，即使对其他方案的测试运行多次，误差也不会像threading这么飘。从代码实现体验来说，用threading配合Queue比直接用thread实在是轻松太多了，并且出错的机会也要少很多。
4.3 Python进程
processing模块给出的进程方案大致比thread线程要慢一倍，并且这是在我特意调整虚拟机给它预备了足够空闲内存、避免使用交换分区的情况下取得的（特意分给虚拟机700多M内存就是为了这个）。而其他方案仅仅占用数M内存，完全无需特意调大可用内存总量。当然，如果给虚拟机多启用几个核心的话，processing也许会占上点便宜，毕竟目前thread模块是不能有效利用多cpu资源的（经实验，Stackless Python在开启双核的情况下表现的性能和单核是一样的，说明也是不能有效利用多cpu）。因此一种比较合理的做法是根据cpu的数量，启用少量几个进程，而在进程内部再开启线程进行实际业务处理，这也是目前Python社区推荐的有效利用多cpu资源的办法。好在processing配合其自身提供的Queue模块，编程体验还是比较轻松的。
4.4 greenlet超轻量级方案
基于greenlet的实现则性能仅次于Stackless Python，大致比Stackless Python慢一倍，比其他方案快接近一个数量级。其实greenlet不是一种真正的并发机制，而是在同一线程内，在不同函数的执行代码块之间切换，实施“你运行一会、我运行一会”，并且在进行切换时必须指定何时切换以及切换到哪。greenlet的接口是比较简单易用的，但是使用greenlet时的思考方式与其他并发方案存在一定区别。线程/进程模型在大逻辑上通常从并发角度开始考虑，把能够并行处理的并且值得并行处理的任务分离出来，在不同的线程/进程下运行，然后考虑分离过程可能造成哪些互斥、冲突问题，将互斥的资源加锁保护来保证并发处理的正确性。greenlet则是要求从避免阻塞的角度来进行开发，当出现阻塞时，就显式切换到另一段没有被阻塞的代码段执行，直到原先的阻塞状况消失以后，再人工切换回原来的代码段继续处理。因此，greenlet本质是一种合理安排了的串行，实验中greenlet方案能够得到比较好的性能表现，主要也是因为通过合理的代码执行流程切换，完全避免了死锁和阻塞等情况（执行带屏幕输出的ring_greenlet.py我们会看到脚本总是一个一个地处理消息，把一个消息在环上从头传到尾之后，再开始处理下一个消息）。因为greenlet本质是串行，因此在没有进行显式切换时，代码的其他部分是无法被执行到的，如果要避免代码长时间占用运算资源造成程序假死，那么还是要将greenlet与线程/进程机制结合使用（每个线程、进程下都可以建立多个greenlet，但是跨线程/进程时greenlet之间无法切换或通讯）。
Stackless则比较特别，对很多资源从底层进行了并发改造，并且提供了channel等更适合“并发”的通讯机制实现，使得资源互斥冲突的可能性大大减小，并发性能自然得以提高。粗糙来讲，greenlet是“阻塞了我就先干点儿别的，但是程序员得明确告诉greenlet能先干点儿啥以及什么时候回来”；Stackless则是“东西我已经改造好了，你只要用我的东西，并发冲突就不用操心，只管放心大胆地并发好了”。greenlet应该是学习了Stackless的上下文切换机制，但是对底层资源没有进行适合并发的改造。并且实际上greenlet也没有必要改造底层资源的并发性，因为它本质是串行的单线程，不与其他并发模型混合使用的话是无法造成对资源的并发访问的。
greenlet 封装后的 eventlet 方案
eventlet 是基于 greenlet 实现的面向网络应用的并发处理框架，提供“线程”池、队列等与其他 Python 线程、进程模型非常相似的 api，并且提供了对 Python 发行版自带库及其他模块的超轻量并发适应性调整方法，比直接使用 greenlet 要方便得多。并且这个解决方案源自著名虚拟现实游戏“第二人生”，可以说是久经考验的新兴并发处理模型。其基本原理是调整 Python 的 socket 调用，当发生阻塞时则切换到其他 greenlet 执行，这样来保证资源的有效利用。需要注意的是：
- eventlet 提供的函数只能对 Python 代码中的 socket 调用进行处理，而不能对模块的 C 语言部分的 socket 调用进行修改。对后者这类模块，仍然需要把调用模块的代码封装在 Python 标准线程调用中，之后利用 eventlet 提供的适配器实现 eventlet 与标准线程之间的协作。
- 再有，虽然 eventlet 把 api 封装成了非常类似标准线程库的形式，但两者的实际并发执行流程仍然有明显区别。在没有出现 I/O 阻塞时，除非显式声明，否则当前正在执行的 eventlet 永远不会把 cpu 交给其他的 eventlet，而标准线程则是无论是否出现阻塞，总是由所有线程一起争夺运行资源。所有 eventlet 对 I/O 阻塞无关的大运算量耗时操作基本没有什么帮助。
在性能测试结果方面，eventlet 消耗的运行时间大致是 greenlet 方案的 3 到 5 倍，而 Python 标准线程模型的 thread 方式消耗的运行时间大致是 eventlet 测试代码的 8 到 10 倍。其中前者可能是因为我们在 eventlet 的测试代码中，使用队列机制来完成所有的消息传递，而队列上的访问互斥保护可能额外消耗了一些运算资源。总体而言，eventlet 模型的并发性能虽然比 Stackless Python 和直接使用 greenlet 有一定差距，但仍然比标准线程模型有大约一个数量级的优势，这也就不奇怪近期很多强调并发性能的网络服务器实现采取 eventlet 、线程、进程三者组合使用的实现方案。
5. 实验代码
实验代码下载：
- 版本3 下载：增加了 eventlet 方案的实验代码。
- 版本2 下载：增加了 greenlet 方案的实验代码。
- 版本1 下载：包括 Stackless Python 、 thread 、 threading 、 processing 四种方案的实验代码。
为方便阅读，将实验中用到的几个脚本的代码粘贴如下，其中Stackless Python方案的代码实现直接取自Erlang vs. Stackless python: a first benchmark：
5.1 ring_no_io_slp.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys
import stackless as SL def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
firstP = cin = SL.channel()
for s in xrange(1, n):
seqn = s
cout = SL.channel()
# # print("*> s = %d" % (seqn, ))
t = SL.tasklet(loop)(seqn, cin, cout)
cin = cout
else:
seqn = s+1
# # print("$> s = %d" % (seqn, ))
t = SL.tasklet(mloop)(seqn, cin)
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# # print("+ sending Msg# %d" % r)
firstP.send(r)
SL.schedule()
def loop(s, cin, cout):
while True:
r = cin.receive()
cout.send(r)
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid(), s))
break
def mloop(s, cin):
while True:
r = cin.receive()
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid(), s))
break def pid(): return repr(SL.getcurrent()).split()[-1][2:-1] if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))
5.2 ring_no_io_thread.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys, time
import thread SLEEP_TIME = 0.0001 def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
locks = [thread.allocate_lock() for i in xrange(n)]
firstP = cin = []
cin_lock_id = 0
for s in xrange(1, n):
seqn = s
cout = []
cout_lock_id = s
# print("*> s = %d" % (seqn, ))
thread.start_new_thread(loop, (seqn, locks, cin, cin_lock_id, cout, cout_lock_id))
cin = cout
cin_lock_id = cout_lock_id
else:
seqn = s+1
# print("$> s = %d" % (seqn, ))
thread.start_new_thread(mloop, (seqn, locks, cin, cin_lock_id))
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# print("+ sending Msg# %d" % r)
lock = locks[0]
lock.acquire()
firstP.append(r)
lock.release()
time.sleep(SLEEP_TIME)
try:
while True:
time.sleep(SLEEP_TIME)
except:
pass
def loop(s, locks, cin, cin_lock_id, cout, cout_lock_id):
while True:
lock = locks[cin_lock_id]
lock.acquire()
if len(cin) > 0:
r = cin.pop(0)
lock.release()
else:
lock.release()
time.sleep(SLEEP_TIME)
continue
lock = locks[cout_lock_id]
lock.acquire()
cout.append(r)
lock.release()
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid(), s))
break
def mloop(s, locks, cin, cin_lock_id):
while True:
lock = locks[cin_lock_id]
lock.acquire()
if len(cin) > 0:
r = cin.pop(0)
lock.release()
else:
lock.release()
time.sleep(SLEEP_TIME)
continue
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid(), s))
break
thread.interrupt_main() def pid(): return thread.get_ident() if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))
5.3 ring_no_io_queue.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys
import threading, Queue def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
firstP = cin = Queue.Queue()
for s in xrange(1, n):
seqn = s
cout = Queue.Queue()
# print("*> s = %d" % (seqn, ))
t = Loop(seqn, cin, cout)
t.setDaemon(False)
t.start()
cin = cout
else:
seqn = s+1
# print("$> s = %d" % (seqn, ))
t = MLoop(seqn, cin)
t.setDaemon(False)
t.start()
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# print("+ sending Msg# %d" % r)
firstP.put(r)
class Loop(threading.Thread):
def __init__(self, s, cin, cout):
threading.Thread.__init__(self)
self.cin = cin
self.cout = cout
self.s = s
def run(self):
while True:
r = self.cin.get()
self.cout.put(r)
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), self.s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid(), self.s))
break
class MLoop(threading.Thread):
def __init__(self, s, cin):
threading.Thread.__init__(self)
self.cin = cin
self.s = s
def run(self):
while True:
r = self.cin.get()
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), self.s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid(), self.s))
break def pid(): return threading.currentThread() if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))
5.4 ring_no_io_proc.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys
import processing, Queue def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
firstP = cin = processing.Queue()
for s in xrange(1, n):
seqn = s
cout = processing.Queue()
# print("*> s = %d" % (seqn, ))
p = processing.Process(target = loop, args = [seqn, cin, cout])
p.start()
cin = cout
else:
seqn = s+1
# print("$> s = %d" % (seqn, ))
p = processing.Process(target = mloop, args = [seqn, cin])
p.start()
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# print("+ sending Msg# %d" % r)
firstP.put(r)
p.join()
def loop(s, cin, cout):
while True:
r = cin.get()
cout.put(r)
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid(), s))
break
def mloop(s, cin):
while True:
r = cin.get()
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid(), s))
break def pid(): return processing.currentProcess() if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))
5.5 ring_no_io_greenlet.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys
from py.magic import greenlet def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
glets = [greenlet.getcurrent()]
for s in xrange(1, n):
seqn = s
glets.append(greenlet(loop))
# print("*> s = %d" % (seqn, ))
else:
seqn = s+1
glets.append(greenlet(mloop))
# print("$> s = %d" % (seqn, ))
glets[-1].switch(seqn, glets)
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# print("+ sending Msg# %d" % r)
glets[1].switch(r)
def loop(s, glets):
previous = glets[s - 1]
next = glets[s + 1]
if s > 1:
r = previous.switch(s - 1, glets)
else:
r = previous.switch()
while True:
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid("loop", s), s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid("loop", s), s))
break
next.switch(r)
r = previous.switch()
next.switch(r)
def mloop(s, glets):
previous = glets[s - 1]
r = previous.switch(s - 1, glets)
while True:
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid("mloop", s), s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid("mloop", s), s))
break
r = previous.switch() def pid(func, s): return "<<%s(Greenlet-%d, started)>>" % (func, s) if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))
5.6 ring_no_io_eventlet.py
#!/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.5/bin/python
# encoding: utf-8
import sys
import eventlet def run_benchmark(n, m):
# print(">> Python 2.5.1, stackless 3.1b3 here (N=%d, M=%d)!\n" % (n, m))
firstP = cin = eventlet.Queue()
for s in xrange(1, n):
seqn = s
cout = eventlet.Queue()
# print("*> s = %d" % (seqn, ))
eventlet.spawn_n(loop, seqn, cin, cout)
cin = cout
else:
seqn = s+1
# print("$> s = %d" % (seqn, ))
for r in xrange(m-1, -1, -1):
# print("+ sending Msg# %d" % r)
firstP.put(r)
mloop(seqn, cin)
def loop(s, cin, cout):
while True:
r = cin.get()
cout.put(r)
if r > 0:
# print(": Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("* Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: terminate!" % (pid(), s))
break
def mloop(s, cin):
while True:
r = cin.get()
if r > 0:
# print("> Proc: <%s>, Seq#: %s, Msg#: %s .." % (pid(), s, r))
pass
else:
# print("@ Proc: <%s>, Seq#: %s, ring terminated." % (pid(), s))
break def pid(): return eventlet.greenthread.getcurrent() if __name__ == '__main__':
run_benchmark(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))