本篇概要

1.線程與多線程

2.進(jìn)程與多進(jìn)程

3.多線程并發(fā)下載圖片

4.多進(jìn)程并發(fā)提高數(shù)字運(yùn)算

關(guān)于并發(fā)

在計(jì)算機(jī)編程領(lǐng)域，并發(fā)編程是一個(gè)很常見(jiàn)的名詞和功能了，其實(shí)并發(fā)這個(gè)理念，最初是源于鐵路和電報(bào)的早期工作。比如在同一個(gè)鐵路系統(tǒng)上如何安排多列火車，保證每列火車的運(yùn)行都不會(huì)發(fā)生沖突。

后來(lái)在20世紀(jì)60年代，學(xué)術(shù)界對(duì)計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算開(kāi)始進(jìn)行研究，再后來(lái)，操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行并發(fā)的處理任務(wù)，編程語(yǔ)言能夠?yàn)槌绦驅(qū)崿F(xiàn)并發(fā)的功能。

線程與多線程

什么是線程

一個(gè)線程可以看成是一個(gè)有序的指令流（完成特定任務(wù)的指令），并且可以通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度這些指令流。

線程通常位于進(jìn)程程里面，由一個(gè)程序計(jì)數(shù)器、一個(gè)堆棧和一組寄存器以及一個(gè)標(biāo)識(shí)符組成。這些線程是處理器可以分配時(shí)間的最小執(zhí)行單元。

線程之間是可以共享內(nèi)存并且互相通信的。但是當(dāng)兩個(gè)線程之間開(kāi)始共享內(nèi)存，就無(wú)法保證線程執(zhí)行的順序，這可能導(dǎo)致程序錯(cuò)誤，或者產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。這個(gè)問(wèn)題我們?nèi)蘸髸?huì)專門提及。

下面這個(gè)圖片展示了多個(gè)線程在多個(gè)CPU中的存在方式：

線程的類型

在一個(gè)典型的操作系統(tǒng)里面，一般會(huì)有兩種類型的線程：

1.用戶級(jí)線程：我們能夠創(chuàng)建、運(yùn)行的線程；

2.內(nèi)核級(jí)線程：操作系統(tǒng)運(yùn)行的低級(jí)別線程；

Python工作在用戶級(jí)線程上，我們介紹的內(nèi)容也主要是在用戶級(jí)的線程上運(yùn)行的。

什么是多線程

現(xiàn)在的CPU基本上都是多線程的CPU，比如我們隨意從京東上找一個(gè)Inter的酷睿i5處理器，看看它的產(chǎn)品規(guī)格：

這些CPU能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程來(lái)處理任務(wù)，其實(shí)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這些CPU是利用一個(gè)能夠在多個(gè)線程之間快速切換的單個(gè)內(nèi)核來(lái)完成多線程的運(yùn)行的，切換線程的速度足夠快，所以我們并不會(huì)感覺(jué)到。但實(shí)質(zhì)上，它們并不是同時(shí)運(yùn)行的。

為了形象的理解多線程，我們來(lái)回憶一個(gè)場(chǎng)景。

在大學(xué)時(shí)代，期末的時(shí)候，有些科目的老師為了不為難大家，把考試設(shè)為開(kāi)卷考試，不知道大家面對(duì)開(kāi)卷考試的時(shí)候，做題的順序是怎樣的？

在單線程的工作模式下，我們從選擇題到填空題到簡(jiǎn)答題再到分析題，一個(gè)一個(gè)按順序的寫(xiě)。

遇到一個(gè)特別難的題目，我們就要翻書(shū)翻資料了，當(dāng)然既然是開(kāi)卷考試，有些題目的答案就不可能直接出現(xiàn)在教科書(shū)中，那么我們就要花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)找答案，直到考試結(jié)束，因?yàn)槟硞€(gè)難題耗費(fèi)的翻書(shū)時(shí)間太多，導(dǎo)致后面一些簡(jiǎn)單的題目也沒(méi)用做，嗯，開(kāi)卷都寫(xiě)不完試卷，掛科名額就給你了。

而在多線程的工作模式下，我們也是按順序?qū)?，但是遇到難題時(shí)，我們會(huì)稍微從書(shū)中找找答案，如果沒(méi)找到，就先做下面的題目，把會(huì)做的題目做好，做好了容易的題目，再回到那個(gè)難題上，仔細(xì)從書(shū)中的蛛絲馬跡中找答案。

在這個(gè)例子里面，我們只是一個(gè)人來(lái)完成，如果想要更快地完成考試，就得跟其他同學(xué)通力合作和分工了。

讓我們看看線程的一些優(yōu)點(diǎn)：

1.多線程能夠有效提升I/O阻塞型程序的效率；

2.與進(jìn)程相比，占用的系統(tǒng)資源少；

3.線程間能夠共享資源，方便進(jìn)行通信；

線程還有一些缺點(diǎn)：

1.Python中有全局解釋器鎖（GIL）的限制；

2.雖然線程之間能夠進(jìn)行通信，但是容易導(dǎo)致程序結(jié)果出錯(cuò)，使用的時(shí)候必須小心；

3.在多線程之間切換的計(jì)算代價(jià)高，會(huì)導(dǎo)致程序的整體性能下降。

進(jìn)程與多進(jìn)程

進(jìn)程在本質(zhì)上與線程非常相似，進(jìn)程幾乎可以完成線程能夠完成的任何事情。

按照上面開(kāi)卷考試的例子，如果我們和室友組成一個(gè)小團(tuán)伙，那么我們就有四個(gè)CPU（4個(gè)人），四個(gè)人分別寫(xiě)和找不同的答案，這樣考試的效率會(huì)提高很多。

一個(gè)進(jìn)程里面，包含一個(gè)主線程，還可以生成很多子線程，每個(gè)線程都包含自己的寄存器組合堆棧。如果有需要的話，可以將它們組成多線程。

下面是單線程單進(jìn)程和多線程單進(jìn)程的示例：

進(jìn)程的特性

一個(gè)進(jìn)程通常包含以下的內(nèi)容：

1.進(jìn)程ID，進(jìn)程組ID，用戶ID，組ID

2.環(huán)境

3.工作目錄

4.程序指令

5.寄存器

6.堆棧

7.文件描述

8.進(jìn)程間通信工具

9.等等……

進(jìn)程有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.更好地利用多核處理器；

2.在處理CPU密集型任務(wù)時(shí)比多線程要好；

3.可以通過(guò)多進(jìn)程來(lái)避免全局解釋器鎖（GIL）的局限；

4.崩潰的進(jìn)程不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)程序的崩潰；

同時(shí)，還有以下缺點(diǎn)：

1.進(jìn)程之間沒(méi)有共享資源；

2.進(jìn)程需要消耗更多的內(nèi)存；

多進(jìn)程

在Python中我們可以使用多線程或者多進(jìn)程的方式來(lái)運(yùn)行我們的代碼以改進(jìn)傳統(tǒng)的單線程方式的性能。

在單核的CPU上可以使用多線程提高處理能力，但是在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)CPU中，多核處理器早已普及，為了有效的利用機(jī)器的資源，我們有必要使用多進(jìn)程來(lái)發(fā)揮機(jī)器的價(jià)值。

一個(gè)CPU內(nèi)核將任務(wù)分配給其他CPU：

通過(guò)Python的進(jìn)程處理模塊multiprocessing，我們可以有效的利用機(jī)器上所有的處理器，這有助于我們?cè)谔幚鞢PU密集型任務(wù)時(shí)獲得更高的性能。

使用multiprocessing模塊，查看我們機(jī)器上的CPU核心數(shù)量：

結(jié)果返回一個(gè)數(shù)字，為CPU核心數(shù)。

多進(jìn)程不僅能夠提高我們的計(jì)算機(jī)的利用率，還能夠避免全局解釋器鎖的限制，一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是多進(jìn)程間不能進(jìn)行共享和通信（可以通過(guò)其他手段實(shí)現(xiàn)），但是這個(gè)缺點(diǎn)同時(shí)也使多進(jìn)程更加容易使用和避免出現(xiàn)崩潰。

Python的局限性

在文章的前面，我們談到了在Python中存在的全局解釋器鎖GIL的局限性。那GIL到底是個(gè)什么東西？

GIL本質(zhì)上是一個(gè)互斥鎖，它可以防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行Python代碼。 它是一個(gè)只能由一個(gè)線程保持的鎖，如果你想要一個(gè)線程去執(zhí)行代碼，那么在它執(zhí)行代碼之前，首先必須獲得這個(gè)鎖。 這樣做的一個(gè)好處是，當(dāng)它被鎖定的時(shí)候，沒(méi)有別的進(jìn)程可以同時(shí)運(yùn)行代碼，一定程度上避免了線程間的沖突：

上面這個(gè)圖說(shuō)明了多個(gè)線程如何被GIL阻塞。每個(gè)線程必須等待獲取到GIL才能進(jìn)行下一步的運(yùn)行，然后再釋放GIL。線程之間使用隨機(jī)循環(huán)的方式，所以并不能控制和保證哪個(gè)線程會(huì)先得到GIL。

這樣的設(shè)計(jì)也是很多人詬病Python的地方。但是，這個(gè)設(shè)計(jì)確實(shí)是保證的多線程之間的內(nèi)存安全。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了線程和進(jìn)程，以及Python的一些限制，現(xiàn)在是時(shí)候了解一下我們?nèi)绾卧趹?yīng)用程序中使用多線程多進(jìn)程，以提高程序的速度。

并發(fā)文件下載

毫無(wú)疑問(wèn)的，展現(xiàn)多線程優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)例子就是使用多線程來(lái)下載多個(gè)圖片或者文件，由于I/O的阻塞性質(zhì)，下載任務(wù)可能是多線程最佳的運(yùn)用場(chǎng)景了。

http://tool.bitefu.net/jiari/data/2017.txt是一個(gè)提供2017年所有節(jié)假日的文本文件：

我們?cè)L問(wèn)10次，獲得10次文本文件，然后保存在本地。

先看看一個(gè)普通的爬取：

我們引入了模塊urllib.request，然后創(chuàng)建了一個(gè)函數(shù)downloadImage()用于下載文件，創(chuàng)建了一個(gè)函數(shù)main()用于對(duì)下載函數(shù)進(jìn)行遍歷20次。

耗時(shí)4秒多。

下面看看使用多線程的：

程序的前部分大同小異，后面我們創(chuàng)建了一個(gè)threads列表，，然后遍歷10次，創(chuàng)建一個(gè)新的線程對(duì)象，將其添加到threads列表中，然后啟動(dòng)該線程。

最后，我們通過(guò)遍歷我們的threads列表來(lái)調(diào)用我們的線程，然后調(diào)用join()方法在每個(gè)線程上，這確保我們?cè)谙螺d完文件之前，不會(huì)執(zhí)行剩下的代碼。

運(yùn)行代碼，可以發(fā)現(xiàn)程序幾乎同時(shí)啟動(dòng)了10個(gè)下載任務(wù)，然后在圖片下載完成后，再打印出來(lái)。

耗時(shí)0.1秒，效率提高很多。

但是需要注意的是，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行文件IO，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)狀況和自身機(jī)器的影響，不同的網(wǎng)絡(luò)狀況下，完成的效率也不一樣。

并發(fā)數(shù)字運(yùn)算

I/O密集型的任務(wù)適合于多線程，而CPU密集型的任務(wù)則適合用多進(jìn)程。

在下面的例子里，我們將找出100萬(wàn)個(gè)20000到100000000之間隨機(jī)數(shù)的質(zhì)數(shù)。

順序運(yùn)算：

耗時(shí)18秒。

多進(jìn)程運(yùn)算：

耗時(shí)11秒。

我們分別按順序循環(huán)100萬(wàn)遍和使用多進(jìn)程的進(jìn)程池循環(huán)100萬(wàn)次，多進(jìn)程模式下速度提升了近7秒。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接