并发编程(一)操作系统基础和进程概念

1.操作系统基础知识

一.操作系统的作用

1.隐藏丑陋复杂的硬件接口,提供良好的抽象接口

2.管理、调度进程,并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

二.多道技术

.空间上的复用

　　多个程序共用一套计算机硬件

2.时间上的复用

　　切换+保存状态

　　1.当一个程序遇到I/O操作时,操作系统会剥夺该程序的cpu执行权限(提高cpu的利用率,也不会影响程序执行效率)

　　2.当一个程序长时间占用cpu,操作系统会剥夺该程序的cpu执行权限(降低了程序的执行效率)

2.进程基本概念

什么是进程

　　程序就是一串代码,进程就是正在运行的程序,它是资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础.

进程调度的算法

　　1.先来先服务调度算法

　　2.短作业优先调度算法

　　3.时间片轮转法

　　4.多级反馈队列

　　第一种和第二种算法都有明显的缺点,第一种对短作业不友好,第二种对长作业不友好,所以现代计算机进程都是基于第三种和第四种方法实现进程,如下图所示

进程的并行和并发

　　并发:看起来像同时运行

　　并行:真正意义上的同时执行

　　注意:单核计算机不能实现并行,但可以实现并发,所以要实现并行必须有多个处理器

进程的三种状态

　　1.就绪态:

　　　　当进程已经做好了所有准备,就等cpu执行了,此时的状态就是就绪态

　　2.运行态

　　　　当进程正在被cpu执行的时候,此时的状态就是执行态

　　3.阻塞态:

　　　　当进程在被执行的过程中发生了一些必要的I/O操作无法继续执行时,cpu会放弃该进程转而执行其他进程,此时的状态就是阻塞态

同步异步

　　同步就是一个任务的完成必须等待另一个任务完成后才能算完成(类似于排队,程序的层面就是卡住了)

　　异步就是一个任务在执行的完成不需要知道另一个任务是否完成,只要自己的任务完成就算完成了(类似于叫号,另一个任务的完成结果是要的,但是是通过其他方式获取)

阻塞非阻塞　　

　　阻塞就是进程不在执行,处于阻塞态

　　非阻塞就是进程还在执行,处于就绪态或者运行态

两者组合成为四种状态

　　1.同步阻塞:只能做一件事情,并且处于阻塞态,效率最低

　　2.异步阻塞:因为等待某个事件而处于阻塞态,但是他不依赖于其他任务,所以事件处理完成就可以了

　　3.同步非阻塞:需要依赖于另一个任务的完成,就算自己的任务先完成了,但是还得等其他任务,效率也是地下的

　　4.异步非阻塞:不需要依赖于其他任务,自己又是非阻塞状态,可想而知效率是最高的

3.创建进程的两种方式

在python中创建进程需要导入一个multiprocess模块,他是python中操作、管理进程的一个包,他包含了和进程有关的所有子模块

multiprocess.process模块

process模块是一个创建进程的模块

创建进程就是在内存中重新开辟一块属于进程的独立的内存空间

进程和进程之间的数据是隔离的,无法直接交互,但是可以通过某些技术实现间接交互

创建进程的第一种方式

p=process（target=函数名，args=(,)）
p.start()

from multiprocessing import Process
import time

age = 18

def run(msg):
    global age
    age = 28
    print('%s开始'%msg)
    print(age)  # 子进程中的是28,两者无法访问
    time.sleep(1)
    print('%s结束'%msg)

'''

windows会在进程创建时会以模块的方式从上到下的执行一遍,
所以在windows中创建进程一定要在if __name__ == '__main__':代码块中创建
linux中创建进程会直接复制一份
'''
if __name__ == '__main__':
    p = Process(target=run,args=('子进程',))  # 生成一个进程对象
    p.start()  # 创建一个进程
    print(age)  # 主进程中的age是18
    print('主进程')  # 主进程中的内容

执行顺序：进程的创建（创建内存空间）的速度慢于print的速度，所以先执行下面

创建进程的第二种方式

类实例化
p=Myprocess（参数）
p.start()

from multiprocessing import Process
import time
age = 18
# 新建一个类继承父类Process
class MyProcess(Process):
    def __init__(self,msg):
        super().__init__()
        self.msg = msg

    def run(self):
        global age
        age = 28
        print('%s开始'%self.msg)
        print(age)
        time.sleep(1)
        print('%s结束'%self.msg)
        
if __name__ == '__main__':
    p = MyProcess('子进程',)
    p.start()
    print(age)
    print('主进程')

4.进程方法join(暂停)

　　在上述创建进程代码中,父进程执行完毕之后才会执行子进程,其实两者并没有先后的关系,执行的顺序是操作系统来决定的,并且生成子进程也会消耗一段时间,故子进程在父进程之后,如果我们想要实现子进程完成之后在执行父进程,则需要join方法(*****)

from multiprocessing import Process
import time

def run(msg,i):
    print('%s开始'%msg)
    time.sleep(i)
    print('%s结束'%msg)

if __name__ == '__main__':
    start = time.time()  # 记录开始时间
    p = Process(target=run,args=('子进程',0))
    p1 = Process(target=run,args=('子进程1',1))
    p2 = Process(target=run,args=('子进程2',2))
    p3 = Process(target=run,args=('子进程3',3))
    p.start()
    p1.start()
    p2.start()
    p3.start()
    p.join()  # 加入该方法后子进程会先执行完毕
    p1.join()
    p2.join()
    p3.join()
    end = time.time()  # 记录结束时间
    print('父进程')
    print(end - start)  # 打印总共的运行时间

总结JOIN的作用：进程的执行顺序仍然不固定，然是加入join的进程，会等改进程执行完之后再执行非进程之外的代码

5.证明进程间数据隔离

from multiprocessing import Process
age = 18

def run():
    global age
    age = 28
    print('子进程的age:%s'%age)

if __name__ == '__main__':
    p = Process(target=run)
    p.start()
    p.join()
    print('主进程的age:%s' % age)

print打印的结果与进程结果不一致，证明：global并没有将函数内的数据全局化

6.进程对象及其他方法

1、获取查看当前进程号

current_process().pid(该方法不好用(不知道哪里不好用)，os也有相同的方法):

import time
from multiprocessing import Process, current_process

def test(name):
    print('%s is running'%name,current_process().pid)#1336
    time.sleep(3)
    print('%s is over' % name )

if __name__ == '__main__':
    p=Process(target=test,args=('wx',))
    p.start()
    print('主',current_process().pid)#2748
'''
主 1336
wx is running 2748
wx is over
'''

2、os里的获取当前进程的进程号

os.getpid:可以查看当前进程的pid(进程id)

os.getppid:可以查看当前进程的父进程的pid(进程id)

p.terminate强制终止当前进程

p.is_alive():判断子进程p是否还存活

if __name__ == '__main__':
    p=Process(target=test,args=('wx',))
    p.start()
    p.terminate()
    time.sleep(0.1)#必须加时间等待
    print(p.is_alive())#False
    print('主',os.getpid())

7.僵尸进程和孤儿进程(了解)

子进程结束后：子进程号，占用cpu时间信息依然占用，不会立即释放，直到主进程回收

僵尸进程就是子进程死亡后,父进程还存放着子进程号，占用cpu时间信息,一旦僵尸进程过多,会占用系统资源

　　父进程回收死亡的子进程(僵尸进程)资源的两种方式

　　　　1.join方法（调用wait）方法

　　　　2.父进程正常死亡（所有子进程运行完）

　　　　注意:所有进程都会步入僵尸进程

孤儿进程就是子进程没死,父进程意外死亡

　　针对linux会有儿童福利院(init),如果父进程意外死亡他所创建的子进程都会被福利院收养

8.守护进程

格式：进程.deamon=True。写在start前面
守护进程代码运行到print代码，那么就不运行子进程代码

后面会降到：守护进程和守护线程的不同

主进程创建守护进程

　　守护进程会在主进程代码执行结束后就终止

　　守护进程内无法再开启子进程,否则就会抛出异常

注意:进程之间是互相独立的,主进程代码运行结束,守护进程随即终止

from multiprocessing import Process
import time

def test(name):
    print('%s总管正常活着'%name)
    time.sleep(3)
    print('%s总管正常死亡'%name)

if __name__ == '__main__':
    p = Process(target=test,args=('egon',))
    p.daemon = True  # 将该进程设置为守护进程   这一句话必须放在start语句之前 否则报错
    p.start()
    time.sleep(0.5)
    print('皇帝jason寿正终寝')

p.daemon = True # 将该进程设置为守护进程 这一句话必须放在start语句之前 否则报错

8.互斥锁

一个简易的没有互斥锁的抢票软件

import json
from multiprocessing import Process
import time

# 查票
def search(i):
    with open('ticket','r',encoding='utf-8') as f:
        json_dict = f.read()
        dict = json.loads(json_dict)
    print('查 用户%s余票还有%s'%(i,dict.get('ticket')))

# 买票
def buy(i):
    with open('ticket','r',encoding='utf-8') as f:
        json_dict = f.read()
        dict = json.loads(json_dict)
    print('买 用户%s余票还有%s' % (i, dict.get('ticket')))
    time.sleep(1)
    if dict.get('ticket') > 0 :
        dict['ticket'] -= 1
        with open('ticket','w', encoding='utf-8')as f:
            d = json.dumps(dict)
            f.write(d)
        print('用户%s抢票成功'%i)
    else:
        print('用户%s卖完了'%i)
def run(i):
    search(i)
    buy(i)

if __name__ == '__main__':
    for i in range(1,4):
        p = Process(target=run,args=(i,))
        p.start()

现在产生了一个问题，网络有延迟，这么多用户在time.sleep的时间内，还没等第一个人刷新购票结果，其他人已经查询完余票了。因此导致所有人都能该买到票、

加锁

import json
from multiprocessing import Process,Lock
import time

def search(i):
    with open('ticket','r',encoding='utf-8') as f:
        json_dict = f.read()
        dict = json.loads(json_dict)
    print('查 用户%s余票还有%s'%(i,dict.get('ticket')))

def buy(i):
    with open('ticket','r',encoding='utf-8') as f:
        json_dict = f.read()
        dict = json.loads(json_dict)
    print('买 用户%s余票还有%s' % (i, dict.get('ticket')))
    time.sleep(1)
    if dict.get('ticket') > 0:
        dict['ticket'] -= 1
        with open('ticket','w', encoding='utf-8')as f:
            d = json.dumps(dict)
            f.write(d)
            print('用户%s抢票成功'%i)
    else:
        print('用户%s卖完了'%i)
def run(i,mutex):
    search(i)
    mutex.acquire()
    buy(i)
    mutex.release()

if __name__ == '__main__':
    mutex = Lock()
    for i in range(1,4):
        p = Process(target=run,args=(i,mutex))
        p.start()