并发编程基础(进程）

什么是程序？什么是进程？

程序说白了就是一堆文件

进程就是一个正在执行的过程/程序，所以说进程是一个抽象的概念，这个概念起源操作系统。

操作系统

定义：操作系统是位于计算机硬件与应用软件之间用于协调、管理、控制计算机硬件与软件的资源的一种控制程序。

作用：1、把复杂丑陋的硬件操作都封装成美丽的接口，提供给应用程序使用

　　   2、把进程对硬件的竞争变得有序

多道技术

多道的产生背景是想要在单个cpu的情况下实现多个进程并发执行

1、空间上的复用 （多道程序复用内存的空间）

2、时间上的复用 （多道程序复用cpu时间）

cpu遇到I/O操作要切换（提升效率），一个进程占用cpu时间过长也会切换（降低效率）。

减少I/O操作，提升程序的效率。

进程的创建（了解）

但凡是硬件，都需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要有创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计，比如微波炉中的控制器，一旦启动微波炉，所有的进程都已经存在。

　　而对于通用系统（跑很多应用程序），需要有系统运行过程中创建或撤销进程的能力，主要分为4中形式创建新的进程

　　1. 系统初始化（查看进程linux中用ps命令，windows中用任务管理器，前台进程负责与用户交互，后台运行的进程与用户无关，运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程，称为守护进程，如电子邮件、web页面、新闻、打印）

　　2. 一个进程在运行过程中开启了子进程（如nginx开启多进程，os.fork,subprocess.Popen等）

　　3. 用户的交互式请求，而创建一个新进程（如用户双击暴风影音）

　　4. 一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

　　

　　无论哪一种，新进程的创建都是由一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的：

　　1. 在UNIX中该系统调用是：fork，fork会创建一个与父进程一模一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）

　　2. 在windows中该系统调用是：CreateProcess，CreateProcess既处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

　

　　关于创建的子进程，UNIX和windows

　　1.相同的是：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。

　　2.不同的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的。但是对于windows系统来说，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不同的。

进程的层次结构

　　无论UNIX还是windows，进程只有一个父进程，不同的是：

　　1. 在UNIX中所有的进程，都是以init进程为根，组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组，这样，当从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

　　2. 在windows中，没有进程层次的概念，所有的进程都是地位相同的，唯一类似于进程层次的暗示，是在创建进程时，父进程得到一个特别的令牌（称为句柄）,该句柄可以用来控制子进程，但是父进程有权把该句柄传给其他子进程，这样就没有层次了。

multiprocessing模块介绍

python中的多线程无法利用多核优势，如果想要充分地使用多核CPU的资源（os.cpu_count()查看），在python中大部分情况需要使用多进程。Python提供了multiprocessing。
multiprocessing模块用来开启子进程，并在子进程中执行我们定制的任务（比如函数），该模块与多线程模块threading的编程接口类似。

multiprocessing模块的功能众多：支持子进程、通信和共享数据、执行不同形式的同步，提供了Process、Queue、Pipe、Lock等组件。

需要再次强调的一点是：与线程不同，进程没有任何共享状态，进程修改的数据，改动仅限于该进程内。

 

Process类的使用

Since Windows has no fork, the multiprocessing module starts a new Python process and imports the calling module. 
If Process() gets called upon import, then this sets off an infinite succession of new processes (or until your machine runs out of resources). 
This is the reason for hiding calls to Process() inside

if __name__ == "__main__"
since statements inside this if-statement will not get called upon import.
由于Windows没有fork，多处理模块启动一个新的Python进程并导入调用模块。 
如果在导入时调用Process（），那么这将启动无限继承的新进程（或直到机器耗尽资源）。 
这是隐藏对Process（）内部调用的原，使用if __name__ == “__main __”，这个if语句中的语句将不会在导入时被调用。

详细解释

创建并开启子进程的两种方式

#开进程的方法一:
import time
import random
from multiprocessing import Process
def piao(name):
    print('%s piaoing' %name)
    time.sleep(random.randrange(1,5))
    print('%s piao end' %name)



p1=Process(target=piao,args=('egon',)) #必须加,号
p2=Process(target=piao,args=('alex',))
p3=Process(target=piao,args=('wupeqi',))
p4=Process(target=piao,args=('yuanhao',))

p1.start()
p2.start()
p3.start()
p4.start()
print('主线程')

方法一

#开进程的方法二:
import time
import random
from multiprocessing import Process


class Piao(Process):
    def __init__(self,name):
        super().__init__()
        self.name=name
    def run(self):
        print('%s piaoing' %self.name)

        time.sleep(random.randrange(1,5))
        print('%s piao end' %self.name)

p1=Piao('egon')
p2=Piao('alex')
p3=Piao('wupeiqi')
p4=Piao('yuanhao')

p1.start() #start会自动调用run
p2.start()
p3.start()
p4.start()
print('主线程')

方法二

进程直接的内存空间是隔离的

from multiprocessing import Process
n=100 #在windows系统中应该把全局变量定义在if __name__ == '__main__'之上就可以了
def work():
    global n
    n=0
    print('子进程内: ',n)


if __name__ == '__main__':
    p=Process(target=work)
    p.start()
    print('主进程内: ',n)

Process对象的join方法

from multiprocessing import Process
import time
import random

class Piao(Process):
    def __init__(self,name):
        self.name=name
        super().__init__()
    def run(self):
        print('%s is piaoing' %self.name)
        time.sleep(random.randrange(1,3))
        print('%s is piao end' %self.name)


p=Piao('egon')
p.start()
p.join(0.0001) #等待p停止,等0.0001秒就不再等了
print('开始')

join：主进程等，等待子进程结束

from multiprocessing import Process
import time
import random
def piao(name):
    print('%s is piaoing' %name)
    time.sleep(random.randint(1,3))
    print('%s is piao end' %name)

p1=Process(target=piao,args=('egon',))
p2=Process(target=piao,args=('alex',))
p3=Process(target=piao,args=('yuanhao',))
p4=Process(target=piao,args=('wupeiqi',))

p1.start()
p2.start()
p3.start()
p4.start()

#有的同学会有疑问:既然join是等待进程结束,那么我像下面这样写,进程不就又变成串行的了吗?
#当然不是了,必须明确：p.join()是让谁等？
#很明显p.join()是让主线程等待p的结束，卡住的是主线程而绝非进程p，

#详细解析如下：
#进程只要start就会在开始运行了,所以p1-p4.start()时,系统中已经有四个并发的进程了
#而我们p1.join()是在等p1结束,没错p1只要不结束主线程就会一直卡在原地,这也是问题的关键
#join是让主线程等,而p1-p4仍然是并发执行的,p1.join的时候,其余p2,p3,p4仍然在运行,等#p1.join结束,可能p2,p3,p4早已经结束了,这样p2.join,p3.join.p4.join直接通过检测，无需等待
# 所以4个join花费的总时间仍然是耗费时间最长的那个进程运行的时间
p1.join()
p2.join()
p3.join()
p4.join()

print('主线程')


#上述启动进程与join进程可以简写为
# p_l=[p1,p2,p3,p4]
# 
# for p in p_l:
#     p.start()
# 
# for p in p_l:
#     p.join()

有了join，程序不就是串行了吗？？？

僵尸进程与孤儿进程（了解）

参考博客：http://www.cnblogs.com/Anker/p/3271773.html

一：僵尸进程（有害）
　　僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。详解如下

我们知道在unix/linux中，正常情况下子进程是通过父进程创建的，子进程在创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程,即父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束，如果子进程一结束就立刻回收其全部资源，那么在父进程内将无法获取子进程的状态信息。

因此，UNⅨ提供了一种机制可以保证父进程可以在任意时刻获取子进程结束时的状态信息：
1、在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源，包括打开的文件，占用的内存等。但是仍然为其保留一定的信息（包括进程号the process ID，退出状态the termination status of the process，运行时间the amount of CPU time taken by the process等）
2、直到父进程通过wait / waitpid来取时才释放. 但这样就导致了问题，如果进程不调用wait / waitpid的话，那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程. 此即为僵尸进程的危害，应当避免。

　　任何一个子进程(init除外)在exit()之后，并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构，等待父进程处理。这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时 处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。  如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。

二：孤儿进程（无害）

　　孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

　　孤儿进程是没有父进程的进程，孤儿进程这个重任就落到了init进程身上，init进程就好像是一个民政局，专门负责处理孤儿进程的善后工作。每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤 儿进程的父进程设置为init，而init进程会循环地wait()它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

我们来测试一下（创建完子进程后，主进程所在的这个脚本就退出了，当父进程先于子进程结束时，子进程会被init收养，成为孤儿进程，而非僵尸进程），文件内容

import os
import sys
import time

pid = os.getpid()
ppid = os.getppid()
print 'im father', 'pid', pid, 'ppid', ppid
pid = os.fork()
#执行pid=os.fork()则会生成一个子进程
#返回值pid有两种值：
#    如果返回的pid值为0，表示在子进程当中
#    如果返回的pid值>0，表示在父进程当中
if pid > 0:
    print 'father died..'
    sys.exit(0)

# 保证主线程退出完毕
time.sleep(1)
print 'im child', os.getpid(), os.getppid()

执行文件，输出结果：
im father pid 32515 ppid 32015
father died..
im child 32516 1

看，子进程已经被pid为1的init进程接收了，所以僵尸进程在这种情况下是不存在的，存在只有孤儿进程而已，孤儿进程声明周期结束自然会被init来销毁。


三：僵尸进程危害场景：

　　例如有个进程，它定期的产 生一个子进程，这个子进程需要做的事情很少，做完它该做的事情之后就退出了，因此这个子进程的生命周期很短，但是，父进程只管生成新的子进程，至于子进程 退出之后的事情，则一概不闻不问，这样，系统运行上一段时间之后，系统中就会存在很多的僵死进程，倘若用ps命令查看的话，就会看到很多状态为Z的进程。 严格地来说，僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此，当我们寻求如何消灭系统中大量的僵死进程时，答案就是把产生大 量僵死进程的那个元凶枪毙掉（也就是通过kill发送SIGTERM或者SIGKILL信号啦）。枪毙了元凶进程之后，它产生的僵死进程就变成了孤儿进 程，这些孤儿进程会被init进程接管，init进程会wait()这些孤儿进程，释放它们占用的系统进程表中的资源，这样，这些已经僵死的孤儿进程 就能瞑目而去了。

四：测试
#1、产生僵尸进程的程序test.py内容如下

#coding:utf-8
from multiprocessing import Process
import time,os

def run():
    print('子',os.getpid())

if __name__ == '__main__':
    p=Process(target=run)
    p.start()
    
    print('主',os.getpid())
    time.sleep(1000)


#2、在unix或linux系统上执行
[root@vm172-31-0-19 ~]# python3  test.py &
[1] 18652
[root@vm172-31-0-19 ~]# 主 18652
子 18653

[root@vm172-31-0-19 ~]# ps aux |grep Z
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root     18653  0.0  0.0      0     0 pts/0    Z    20:02   0:00 [python3] <defunct> #出现僵尸进程
root     18656  0.0  0.0 112648   952 pts/0    S+   20:02   0:00 grep --color=auto Z

[root@vm172-31-0-19 ~]# top #执行top命令发现1zombie
top - 20:03:42 up 31 min,  3 users,  load average: 0.01, 0.06, 0.12
Tasks:  93 total,   2 running,  90 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  1016884 total,    97184 free,    70848 used,   848852 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.   782540 avail Mem 

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                                                                                                                        
root      20   0   29788   1256    988 S  0.3  0.1   0:01.50 elfin                                                                                                                      


#3、
等待父进程正常结束后会调用wait／waitpid去回收僵尸进程
但如果父进程是一个死循环，永远不会结束，那么该僵尸进程就会一直存在，僵尸进程过多，就是有害的
解决方法一：杀死父进程
解决方法二：对开启的子进程应该记得使用join，join会回收僵尸进程
参考python2源码注释
class Process(object):
    def join(self, timeout=None):
        '''
        Wait until child process terminates
        '''
        assert self._parent_pid == os.getpid(), 'can only join a child process'
        assert self._popen is not None, 'can only join a started process'
        res = self._popen.wait(timeout)
        if res is not None:
            _current_process._children.discard(self)

join方法中调用了wait，告诉系统释放僵尸进程。discard为从自己的children中剔除

解决方法三：http://blog.csdn.net/u010571844/article/details/50419798