Python多進(jìn)程之進(jìn)程同步及通信詳解

更新時間：2021年11月25日 15:48:19 作者：程序員-夏天

這篇文章主要為大家介紹了Python多進(jìn)程之進(jìn)程同步及通信，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

進(jìn)程同步

當(dāng)多個進(jìn)程使用同一份數(shù)據(jù)資源的時候，因為進(jìn)程的運行沒有順序，運行起來也無法控制，如果不加以干預(yù)，往往會引發(fā)數(shù)據(jù)安全或順序混亂的問題，所以要在多個進(jìn)程讀寫共享數(shù)據(jù)資源的時候加以適當(dāng)?shù)牟呗?，來保證數(shù)據(jù)的一致性問題。

Lock（鎖）

一個Lock對象有兩個方法：acquire()和release()來控制共享數(shù)據(jù)的讀寫權(quán)限, 看下面這張圖片，使用多進(jìn)程的時候會經(jīng)常出現(xiàn)這種情況，這是因為多個進(jìn)程都在搶占輸出資源，共享同一打印終端，從而造成了輸出信息的錯亂。

那么就可以使用Lock機(jī)制：

import multiprocessing
import random
import time
def work(lock, i):
    lock.acquire()
    print("work'{}'執(zhí)行中......".format(i), multiprocessing.current_process().name, multiprocessing.current_process().pid)
    time.sleep(random.randint(0, 2))
    print("work'{}'執(zhí)行完畢......".format(i))
    lock.release()
if __name__ == '__main__':
    lock = multiprocessing.Lock()
    for i in range(5):
        p = multiprocessing.Process(target=work, args=(lock, i))
        p.start()

由于引入了Lock機(jī)制，同一時間只能有一個進(jìn)程搶占到輸出資源，其他進(jìn)程等待該進(jìn)程結(jié)束，鎖釋放到，才可以搶占，這樣會解決多進(jìn)程間資源競爭導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯亂的問題，但是由并發(fā)執(zhí)行變成了串行執(zhí)行，會犧牲運行效率。

進(jìn)程通信

上篇文章說過，進(jìn)程之間互相隔離，數(shù)據(jù)是獨立的，默認(rèn)情況下互不影響，那要如何實現(xiàn)進(jìn)程間通信呢？Python提供了多種進(jìn)程通信的方式，下面就來說一下。

Queue（隊列）

multiprocessing模塊提供的Queue多進(jìn)程安全的消息隊列，可以實現(xiàn)多進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳遞。

說明

初始化Queue()對象時（例如：q=Queue()），若括號中沒有指定最?可接收的消息數(shù)量，或數(shù)量為負(fù)值，那么就代表可接受的消息數(shù)量沒有上限（直到內(nèi)存的盡頭）。
Queue.qsize()：返回當(dāng)前隊列包含的消息數(shù)量。
Queue.empty()：如果隊列為空，返回True，反之False。
Queue.full()：如果隊列滿了，返回True,反之False。
Queue.get(block, timeout)：獲取隊列中的?條消息，然后將其從列隊中移除，block默認(rèn)值為True。如果block使?默認(rèn)值，且沒有設(shè)置timeout（單位秒），消息列隊如果為空，此時程序?qū)⒈蛔枞ㄍＴ谧x取狀態(tài)），直到從消息列隊讀到消息為?，如果設(shè)置了timeout，則會等待timeout秒，若還沒讀取到任何消息，則拋出Queue.Empty異常；如果block值為False，消息列隊如果為空，則會?刻拋出Queue.Empty異常。
Queue.get_nowait()：相當(dāng)Queue.get(False)。
Queue.put(item, block, timeout)：將item消息寫?隊列，block默認(rèn)值為True，如果block使?默認(rèn)值，且沒有設(shè)置timeout（單位秒），消息列隊如果已經(jīng)沒有空間可寫?，此時程序?qū)⒈蛔枞ㄍＴ趯?狀態(tài)），直到消息列隊騰出空間為?，如果設(shè)置了timeout，則會等待timeout秒，若還沒空間，則拋出Queue.Full異常；如果block值為False，消息列隊如果沒有空間可寫?，則會?刻拋出Queue.Full異常。
Queue.put_nowait(item)：相當(dāng)于Queue.put(item, False)。

from multiprocessing import Process, Queue
import time
def write_task(queue):
    """
    向隊列中寫入數(shù)據(jù)
    :param queue: 隊列
    :return:
    """
    for i in range(5):
        if queue.full():
            print("隊列已滿!")
        message = "消息{}".format(str(i))
        queue.put(message)
        print("消息{}寫入隊列".format(str(i)))
def read_task(queue):
    """
    從隊列讀取數(shù)據(jù)
    :param queue: 隊列
    :return:
    """
    while True:
        print("從隊列讀取:{}".format(queue.get(True)))
if __name__ == '__main__':
    print("主進(jìn)程執(zhí)行......")
    # 主進(jìn)程創(chuàng)建Queue，最大消息數(shù)量為3
    queue = Queue(3)
    pw = Process(target=write_task, args=(queue, ))
    pr = Process(target=read_task, args=(queue, ))
    pw.start()
    pr.start()

運行結(jié)果為：

從結(jié)果我們可以看出，隊列最大可以放入3條消息，后面再來消息，要等read_task從隊列里取出后才行。

Pipe（管道）

Pipe常用于兩個進(jìn)程，兩個進(jìn)程分別位于管道的兩端，Pipe(duplex)方法返回（conn1,conn2）代表一個管道的兩端，duplex參數(shù)默認(rèn)為True，即全雙工模式，若為False，conn1只負(fù)責(zé)接收信息，conn2負(fù)責(zé)發(fā)送。

send()和recv()方法分別是發(fā)送和接受消息的方法。

import multiprocessing
import time
import random
def proc_send(pipe):
    """
    發(fā)送消息
    :param pipe:管道一端
    :return:
    """
    for i in range(10):
        print("process send:{}".format(str(i)))
        pipe.send(i)
        time.sleep(random.random())
def proc_recv(pipe):
    """
    接收消息
    :param pipe:管道一端
    :return:
    """
    while True:
        print("Process recv:{}".format(pipe.recv()))
        time.sleep(random.random())
if __name__ == '__main__':
    # 主進(jìn)程創(chuàng)建pipe
    pipe = multiprocessing.Pipe()
    p1 = multiprocessing.Process(target=proc_send,args=(pipe[0], ))
    p2 = multiprocessing.Process(target=proc_recv,args=(pipe[1], ))
    p1.start()
    p2.start()
    p1.join()
    p2.terminate()

執(zhí)行結(jié)果為：

Semaphore（信號量）

Semaphore用來控制對共享資源的訪問數(shù)量，和進(jìn)程池的最大連接數(shù)類似。

import multiprocessing
import random
import time
def work(s, i):
    s.acquire()
    print("work'{}'執(zhí)行中......".format(i), multiprocessing.current_process().name, multiprocessing.current_process().pid)
    time.sleep(i*2)
    print("work'{}'執(zhí)行完畢......".format(i))
    s.release()
if __name__ == '__main__':
    s = multiprocessing.Semaphore(2)
    for i in range(1, 7):
        p = multiprocessing.Process(target=work, args=(s, i))
        p.start()

上面的代碼中使用Semaphore限制了最多有2個進(jìn)程同時執(zhí)行，那么來一個進(jìn)程獲得一把鎖，計數(shù)加1，當(dāng)計數(shù)等于2時，后面再來的進(jìn)程均需要等待，等前面的進(jìn)程釋放掉，才可以獲得鎖。

信號量與進(jìn)程池的概念上類似，但是要區(qū)分開來，信號量涉及到加鎖的概念。

Event（事件）

Event用來實現(xiàn)進(jìn)程間同步通信的。運行的機(jī)制是：全局定義了一個flag，如果flag值為False，當(dāng)程序執(zhí)行event.wait()方法時就會阻塞，如果flag值為True時，程序執(zhí)行event.wait()方法時不會阻塞繼續(xù)執(zhí)行。

Event常?函數(shù)：

event.wait()：在進(jìn)程中插入一個標(biāo)記（flag），默認(rèn)為False，可以設(shè)置timeout。
event.set()：使flag為Ture。
event.clear()：使flag為False。
event.is_set()：判斷flag是否為True。

import multiprocessing
import time
def wait_for_event(e):
    print("wait_for_event執(zhí)行")
    e.wait()
    print("wait_for_event: e.is_set():{}".format(e.is_set()))
def wait_for_event_timeout(e, t):
    print("wait_for_event_timeout執(zhí)行")
    # 只會阻塞2s
    e.wait(t)
    print("wait_for_event_timeout:e.is_set:{}".format(e.is_set()))
if __name__ == "__main__":
    e = multiprocessing.Event()
    p1 = multiprocessing.Process(target=wait_for_event, args=(e,))
    p1.start()
    p2 = multiprocessing.Process(target=wait_for_event_timeout, args=(e, 2))
    p2.start()
    time.sleep(4)
    # 4s之后使用e.set()將flag設(shè)為Ture
    e.set()
    print("主進(jìn)程:flag設(shè)置為True")

執(zhí)行結(jié)果如下：