Python编程-多进程二

7.进程间通信（IPC）方式二：管道

（1）创建管道的类：
Pipe([duplex]):在进程之间创建一条管道，并返回元组（conn1,conn2）,其中conn1，conn2表示管道两端的连接对象，强调一点：必须在产生Process对象之前产生管道

（2）参数介绍：
dumplex:默认管道是全双工的，如果将duplex射成False，conn1只能用于接收，conn2只能用于发送。
　
（3）方法介绍：
主要方法：
conn1.recv():接收conn2.send(obj)发送的对象。如果没有消息可接收，recv方法会一直阻塞。如果连接的另外一端已经关闭，那么recv方法会抛出EOFError。
conn1.send(obj):通过连接发送对象。obj是与序列化兼容的任意对象

conn1.close():关闭连接。如果conn1被垃圾回收，将自动调用此方法
conn1.fileno():返回连接使用的整数文件描述符
conn1.poll([timeout]):如果连接上的数据可用，返回True。timeout指定等待的最长时限。如果省略此参数，方法将立即返回结果。如果将timeout射成None，操作将无限期地等待数据到达。
conn1.recv_bytes([maxlength]):接收c.send_bytes()方法发送的一条完整的字节消息。maxlength指定要接收的最大字节数。如果进入的消息，超过了这个最大值，将引发IOError异常，并且在连接上无法进行进一步读取。如果连接的另外一端已经关闭，再也不存在任何数据，将引发EOFError异常。
conn.send_bytes(buffer [, offset [, size]])：
通过连接发送字节数据缓冲区，buffer是支持缓冲区接口的任意对象，offset是缓冲区中的字节偏移量，而size是要发送字节数。结果数据以单条消息的形式发出，然后调用c.recv_bytes()函数进行接收
conn1.recv_bytes_into(buffer [, offset]):
接收一条完整的字节消息，并把它保存在buffer对象中，该对象支持可写入的缓冲区接口（即bytearray对象或类似的对象）。offset指定缓冲区中放置消息处的字节位移。返回值是收到的字节数。如果消息长度大于可用的缓冲区空间，将引发BufferTooShort异常。

（4）基于管道实现进程间通信（与队列的方式是类似的，队列就是管道加锁实现的）

from multiprocessing import Process,Pipe
def consumer(p,name):
    left,right=p
    left.close()
    while True:
        try:
            baozi=right.recv()
            print('%s 收到包子:%s' %(name,baozi))
        except EOFError:
            right.close()
            break
			
def producer(seq,p):
    left,right=p
    right.close()
    for i in seq:
        left.send(i)
        # time.sleep(1)
    else:
        left.close()
		
if __name__ == '__main__':
    left,right=Pipe()

    c1=Process(target=consumer,args=((left,right),'c1'))
    c1.start()

    seq=(i for i in range(5))
    producer(seq,(left,right))

    right.close()
    left.close()

    c1.join()
    print('主进程')

运行结果：
c1 收到包子:0
c1 收到包子:1
c1 收到包子:2
c1 收到包子:3
c1 收到包子:4
主进程

注意：生产者和消费者都没有使用管道的某个端点，就应该将其关闭，如在生产者中关闭管道的右端，在消费者中关闭管道的左端。如果忘记执行这些步骤，程序可能再消费者中的recv()操作上挂起。管道是由操作系统进行引用计数的,必须在所有进程中关闭管道后才能生产EOFError异常。因此在生产者中关闭管道不会有任何效果，付费消费者中也关闭了相同的管道端点。

（5）管道可以用于双向通信，利用通常在客户端/服务器中使用的请求／响应模型或远程过程调用，就可以使用管道编写与进程交互的程序

from multiprocessing import Process,Pipe
def adder(p,name):
    server,client=p
    client.close()
    while True:
        try:
            x,y=server.recv()
        except EOFError:
            server.close()
            break
        res=x+y
        server.send(res)
    print('server done')
    
if __name__ == '__main__':
    server,client=Pipe()

    c1=Process(target=adder,args=((server,client),'c1'))
    c1.start()

    server.close()

    client.send((10,20))
    print(client.recv())
    client.close()

    c1.join()
    print('主进程')

运行结果：
30
server done
主进程

注意：send()和recv()方法使用pickle模块对对象进行序列化。

8.进程间通信方式三：共享数据

展望未来，基于消息传递的并发编程是大势所趋
即便是使用线程，推荐做法也是将程序设计为大量独立的线程集合
通过消息队列交换数据。这样极大地减少了对使用锁定和其他同步手段的需求，
还可以扩展到分布式系统中

进程间通信应该尽量避免使用本节所讲的共享数据的方式

进程间数据是独立的，可以借助于队列或管道实现通信，二者都是基于消息传递的
虽然进程间数据独立，但可以通过Manager实现数据共享，事实上Manager的功能远不止于此。

from multiprocessing import Manager,Process
import os
def work(d,l):
    l.append(os.getpid())
    d[os.getpid()]=os.getpid()

if __name__ == '__main__':
    m=Manager()
    l=m.list(['init',])
    d=m.dict({'name':'egon'})

    p_l=[]
    for i in range(5):
        p=Process(target=work,args=(d,l))
        p_l.append(p)
        p.start()

    for p in p_l:
        p.join()
    print(d)
    print(l)

运行结果：
{6568: 6568, 5092: 5092, 11400: 11400, 11724: 11724, 12092: 12092, 'name': 'egon'}
['init', 12092, 5092, 11400, 11724, 6568]

9.进程同步（锁），信号量，事件

加锁的目的是为了保证多个进程修改同一块数据时，同一时间只能有一个修改，即串行的修改，没错，速度是慢了，牺牲了速度而保证了数据安全。

进程之间数据隔离，但是共享一套文件系统，因而可以通过文件来实现进程直接的通信，但问题是必须自己加锁处理

所以，就让我们帮文件当做数据库，模拟抢票（Lock互斥锁）

from multiprocessing import Process,Lock
import json
import time
import random
def work(dbfile,name,lock):
    # lock.acquire()
    with lock:
        with open(dbfile,encoding='utf-8') as f:
            dic=json.loads(f.read())

        if dic['count'] > 0:
            dic['count']-=1
            time.sleep(random.randint(1,3)) #模拟网络延迟
            with open(dbfile,'w',encoding='utf-8') as f:
                f.write(json.dumps(dic))
            print('33[43m%s 抢票成功33[0m' %name)
        else:
            print('33[45m%s 抢票失败33[0m' %name)
    # lock.release()


if __name__ == '__main__':
    lock=Lock()
    p_l=[]
    for i in range(100):
        p=Process(target=work,args=('a.txt','用户%s' %i,lock))
        p_l.append(p)
        p.start()

    for p in p_l:
        p.join()
    print('主进程')

互斥锁
同时只允许一个线程更改数据，而Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据，比如厕所有3个坑，那最多只允许3个人上厕所，后面的人只能等里面有人出来了才能再进去，如果指定信号量为3，那么来一个人获得一把锁，计数加1，当计数等于3时，后面的人均需要等待。一旦释放，就有人可以获得一把锁

信号量与进程池的概念很像，但是要区分开，信号量涉及到加锁的概念

from multiprocessing import Process,Semaphore
import time,random

def go_wc(sem,user):
    sem.acquire()
    print('%s 占到一个茅坑' %user)
    time.sleep(random.randint(0,3)) #模拟每个人拉屎速度不一样，0代表有的人蹲下就起来了
    sem.release()

if __name__ == '__main__':
    sem=Semaphore(5)
    p_l=[]
    for i in range(13):
        p=Process(target=go_wc,args=(sem,'user%s' %i,))
        p.start()
        p_l.append(p)

    for i in p_l:
        i.join()
    print('============》')

python线程的事件用于主线程控制其他线程的执行，事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

事件处理的机制：全局定义了一个“Flag”，如果“Flag”值为 False，那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞，如果“Flag”值为True，那么event.wait 方法时便不再阻塞。

clear：将“Flag”设置为False
set：将“Flag”设置为True

from multiprocessing import Process,Event
import time,random

def car(e,n):
    while True:
        if not e.is_set(): #Flase
            print('33[31m红灯亮33[0m，car%s等着' %n)
            e.wait()
            print('33[32m车%s 看见绿灯亮了33[0m' %n)
            time.sleep(random.randint(3,6))
            if not e.is_set():
                continue
            print('走你,car', n)
            break

def police_car(e,n):
    while True:
        if not e.is_set():
            print('33[31m红灯亮33[0m，car%s等着' % n)
            e.wait(1)
            print('灯的是%s，警车走了,car %s' %(e.is_set(),n))
            break

def traffic_lights(e,inverval):
    while True:
        time.sleep(inverval)
        if e.is_set():
            e.clear() #e.is_set() ---->False
        else:
            e.set()

if __name__ == '__main__':
    e=Event()
    # for i in range(10):
    #     p=Process(target=car,args=(e,i,))
    #     p.start()

    for i in range(5):
        p = Process(target=police_car, args=(e, i,))
        p.start()
    t=Process(target=traffic_lights,args=(e,10))
    t.start()

    print('============》')

9.进程池

开多进程的目的是为了并发，如果有多核，通常有几个核就开几个进程，进程开启过多，效率反而会下降（开启进程是需要占用系统资源的，而且开启多余核数目的进程也无法做到并行），但很明显需要并发执行的任务要远大于核数，这时我们就可以通过维护一个进程池来控制进程数目，比如httpd的进程模式，规定最小进程数和最大进程数...

当被操作对象数目不大时，可以直接利用multiprocessing中的Process动态成生多个进程，十几个还好，但如果是上百个，上千个目标，手动的去限制进程数量却又太过繁琐，此时可以发挥进程池的功效。

而且对于远程过程调用的高级应用程序而言，应该使用进程池，Pool可以提供指定数量的进程，供用户调用，当有新的请求提交到pool中时，如果池还没有满，那么就会创建一个新的进程用来执行该请求；但如果池中的进程数已经达到规定最大值，那么该请求就会等待，直到池中有进程结束，就重用进程池中的进程。

在利用Python进行系统管理的时候，特别是同时操作多个文件目录，或者远程控制多台主机，并行操作可以节约大量的时间。

（1）创建进程池的类
Pool([numprocess [,initializer [, initargs]]]):创建进程池

（2）参数介绍
numprocess:要创建的进程数，如果省略，将默认使用cpu_count()的值
initializer：是每个工作进程启动时要执行的可调用对象，默认为None
initargs：是要传给initializer的参数组
　
（3）方法介绍
p.apply(func [, args [, kwargs]]):
在一个池工作进程中执行func(args,**kwargs),然后返回结果。需要强调的是：此操作并不会在所有池工作进程中并执行func函数。如果要通过不同参数并发地执行func函数，必须从不同线程调用p.apply()函数或者使用p.apply_async()
p.apply_async(func [, args [, kwargs]]):
在一个池工作进程中执行func(args,**kwargs),然后返回结果。此方法的结果是AsyncResult类的实例，callback是可调用对象，接收输入参数。当func的结果变为可用时，将理解传递给callback。callback禁止执行任何阻塞操作，否则将接收其他异步操作中的结果。
p.close():关闭进程池，防止进一步操作。如果所有操作持续挂起，它们将在工作进程终止前完成5 P.jion():等待所有工作进程退出。此方法只能在close（）或teminate()之后调用

方法apply_async()和map_async（）的返回值是AsyncResul的实例obj。实例具有以下方法
obj.get():返回结果，如果有必要则等待结果到达。timeout是可选的。如果在指定时间内还没有到达，将引发一场。如果远程操作中引发了异常，它将在调用此方法时再次被引发。
obj.ready():如果调用完成，返回True
obj.successful():如果调用完成且没有引发异常，返回True，如果在结果就绪之前调用此方法，引发异常
obj.wait([timeout]):等待结果变为可用。
obj.terminate()：立即终止所有工作进程，同时不执行任何清理或结束任何挂起工作。如果p被垃圾回收，将自动调用此函数

（4）应用

from multiprocessing import Pool
import time
def work(n):
    print('开工啦...')
    time.sleep(3)
    return n**2

if __name__ == '__main__':
    q=Pool()

    #异步apply_async用法：如果使用异步提交的任务，主进程需要使用jion，等待进程池内任务都处理完，然后可以用get收集结果，否则，主进程结束，进程池可能还没来得及执行，也就跟着一起结束了
    res=q.apply_async(work,args=(2,))
    q.close()
    q.join() #join在close之后调用
    print(res.get())

    #同步apply用法：主进程一直等apply提交的任务结束后才继续执行后续代码
    # res=q.apply(work,args=(2,))
    # print(res)

from multiprocessing import Process,Pool
from socket import *
import os
server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)

def talk(conn,addr):
    print(os.getpid())
    while True: #通讯循环
        try:
            msg=conn.recv(1024)
            if not msg:break
            conn.send(msg.upper())
        except Exception:
            break
if __name__ == '__main__':
    pool=Pool()
    res_l=[]
    while True: #链接循环
        conn,addr=server.accept()
        # print(addr)
        # pool.apply(talk,args=(conn,addr))
        res=pool.apply_async(talk,args=(conn,addr))
        res_l.append(res)
        # print(res_l)

server端

#Pool内的进程数默认是cpu核数，假设为4（查看方法os.cpu_count()）
#开启6个客户端，会发现2个客户端处于等待状态
#在每个进程内查看pid，会发现pid使用为4个，即多个客户端公用4个进程
from socket import *
from multiprocessing import Pool
import os

server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)

def talk(conn,client_addr):
    print('进程pid: %s' %os.getpid())
    while True:
        try:
            msg=conn.recv(1024)
            if not msg:break
            conn.send(msg.upper())
        except Exception:
            break

if __name__ == '__main__':
    p=Pool()
    while True:
        conn,client_addr=server.accept()
        p.apply_async(talk,args=(conn,client_addr))
        # p.apply(talk,args=(conn,client_addr)) #同步的话，则同一时间只有一个客户端能访问

客户端

from socket import *

client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1',8080))


while True:
    msg=input('>>: ').strip()
    if not msg:continue

    client.send(msg.encode('utf-8'))
    msg=client.recv(1024)
    print(msg.decode('utf-8'))

10.回调函数

当程序跑起来时，一般情况下，应用程序（application program）会时常通过API调用库里所预先备好的函数。但是有些库函数（library function）却要求应用先传给它一个函数，好在合适的时候调用，以完成目标任务。这个被传入的、后又被调用的函数就称为回调函数（callback function）。

from multiprocessing import Pool
import time,random

def get_page(url):
    time.sleep(random.randint(1,3))
    print('下载页面: %s' %url)
    return {'url':url} #模拟下载后的结果

def parse_page(page_content):
    time.sleep(1)
    print('解析页面: %s' %page_content)


if __name__ == '__main__':
    urls=[
        'http://maoyan.com/board/7',
        'http://maoyan.com/board/1',
        'http://maoyan.com/board/2'
    ]
    p=Pool()
    res_l=[]
    for url in urls:
        res=p.apply_async(get_page,args=(url,),callback=parse_page)
        res_l.append(res)

    for i in res_l:
        i.get()

应用

from multiprocessing import Pool
import time,random
import requests
import re
import json

def get_page(url,pattern):
    response=requests.get(url)
    if response.status_code == 200:
        return (response.text,pattern)

def parse_page(info):
    page_content,pattern=info
    res=re.findall(pattern,page_content)

    for item in res:
        dic={
            'index':item[0],
            'title':item[1],
            'actor':item[2].strip()[3:],
            'time':item[3][5:],
            'score':item[4]+item[5]

        }
        with open('db.txt','a',encoding='utf-8') as f:
            f.write('%s
' %json.dumps(dic))
if __name__ == '__main__':
    pattern1=re.compile(r'<dd>.*?board-index.*?>(d+)<.*?title="(.*?)".*?star.*?>(.*?)<.*?releasetime.*?>(.*?)<.*?integer.*?>(.*?)<.*?fraction.*?>(.*?)<',re.S)

    url_dic={
        'http://maoyan.com/board/7':pattern1,
    }
    p=Pool()
    res_l=[]
    for url,pattern in url_dic.items():
        res=p.apply_async(get_page,args=(url,pattern),callback=parse_page)
        res_l.append(res)

    for i in res_l:
        i.get()

使用进程池（非阻塞,apply_async）

from multiprocessing import Process,Pool
import time

def func(msg):
    print( "msg:", msg)
    time.sleep(1)
    return 'hahaha'

if __name__ == "__main__":
    pool = Pool(processes = 3)
    res_l=[]
    for i in range(10):
        msg = "hello %d" %(i)
        res=pool.apply_async(func, (msg, ))   #维持执行的进程总数为processes，当一个进程执行完毕后会添加新的进程进去
        res_l.append(res)
    print("==============================>")
    pool.close() #关闭进程池，防止进一步操作。如果所有操作持续挂起，它们将在工作进程终止前完成
    pool.join()   #调用join之前，先调用close函数，否则会出错。执行完close后不会有新的进程加入到pool,join函数等待所有子进程结束
    print("Sub-process(es) done.")
    for i in res_l:
        print(res.get())

使用进程池（阻塞,apply）

from multiprocessing import Process,Pool
import time

def func(msg):
    print( "msg:", msg)
    time.sleep(0.1)
    return 'hahaha'

if __name__ == "__main__":
    pool = Pool(processes = 3)
    res_l=[]
    for i in range(10):
        msg = "hello %d" %(i)
        res=pool.apply(func, (msg, ))   #维持执行的进程总数为processes，当一个进程执行完毕后会添加新的进程进去
        res_l.append(res) #同步执行，即执行完一个拿到结果，再去执行另外一个
    print("==============================>")
    pool.close() 
    pool.join()   #调用join之前，先调用close函数，否则会出错。执行完close后不会有新的进程加入到pool,join函数等待所有子进程结束
    print("Sub-process(es) done.")
    print(res_l)
    for i in res_l: #apply是同步的，所以直接得到结果，没有get()方法
        print(res)

多个进程池

import multiprocessing
import os, time, random

def Lee():
    print("
Run task Lee-%s" %(os.getpid())) #os.getpid()获取当前的进程的ID
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 10) #random.random()随机生成0-1之间的小数
    end = time.time()
    print('Task Lee, runs %0.2f seconds.' %(end - start))

def Marlon():
    print("
Run task Marlon-%s" %(os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 40)
    end=time.time()
    print('Task Marlon runs %0.2f seconds.' %(end - start))

def Allen():
    print("
Run task Allen-%s" %(os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 30)
    end = time.time()
    print('Task Allen runs %0.2f seconds.' %(end - start))

def Frank():
    print("
Run task Frank-%s" %(os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 20)
    end = time.time()
    print('Task Frank runs %0.2f seconds.' %(end - start))

def Egon():
    print("
Run task Egon-%s" %(os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 20)
    end = time.time()
    print('Task Egon runs %0.2f seconds.' %(end - start))

def Lily():
    print("
Run task Lily-%s" %(os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.random() * 20)
    end = time.time()
    print('Task Lily runs %0.2f seconds.' %(end - start))

if __name__=='__main__':
    function_list=  [Lee, Marlon, Allen, Frank, Egon, Lily]
    print("parent process %s" %(os.getpid()))

    pool=multiprocessing.Pool(4)
    for func in function_list:
        pool.apply_async(func)     #Pool执行函数，apply执行函数,当有一个进程执行完毕后，会添加一个新的进程到pool中

    print('Waiting for all subprocesses done...')
    pool.close()
    pool.join()    #调用join之前，一定要先调用close() 函数，否则会出错, close()执行后不会有新的进程加入到pool,join函数等待素有子进程结束
    print('All subprocesses done.')