python中的进程与线程

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本文详细介绍了进程与线程的概念及区别，包括进程的创建、进程间通信、线程的创建、线程间通信等内容，并提供了Python代码示例。

1、基本概念

1.1 进程概念
进程是指一个程序在给定数据集合上的一次执行过程，简单理解为操作系统中正在执行的程序。

每个进程都有自己独立的地址空间、内存、数据栈
操作系统自动管理进程，分配执行时间
进程可以派生子进程
进程之间可以相互通信

1.2线程概念
线程是进程的实体，是CPU调度和分配的基本单元，线程必须依托进程存活，线程无法给予公平执行时间，会被其他线程抢占

1.3二者关系

线程必须在进程中执行
一个进程可以包含多个线程，有且只有一个主线程
多线程共享同个地址空间、打开的文件以及其他资源
多进程共享物理内存、磁盘等其他资源

2、进程

2.1创建进程
创建进程可以通过os.fork（Linux操作系统），multiprocessing，pool进程池

from multiprocessing import Pool

def text(msg):
    for i in range(3):
        print("(" + str(msg) + "):" + str(i))

if __name__ == "__main__":
    # 创建一个线程池，最大进程数为3
    pool = Pool(3)
    for i in range(10):
        # 向进程池中添加任务
        pool.apply_async(text, (i, ))

    print("---start---")
    # 关闭进程池，表示不能在往进程池中添加进程
    pool.close()
    # 等待进程池中的所有进程执行结束
    pool.join()
    print("--- end ---")

2.2进程间通信
multiprocessing提供的Queue模块可以完成进程间通信

from multiprocessing import Process,Queue
import time
#创建子进程，向队列写入数据
def write_task(q):
    if not q.full():
        for i in range(5):
            message="消息"+str(i)
            q.put(message)
            print('写入{}'.format(message))
#从队列读取数据
def read_task(q):
    time.sleep(1)
    while not q.empty():
        print("读取%s"%q.get(True,2))


if __name__=='__main__':
    print('-----父进程开始------')
    q=Queue()   #实例化一个队列
    pw=Process(target=write_task,args=(q,)) #队列作为参数传递给函数
    pr=Process(target=read_task,args=(q,))
    pw.start()
    pr.start()
    pw.join()
    pr.join()
    print("父进程结束")

3、线程

3.1创建线程
python3采用threading来创建线程
3.2线程间通信
线程之间共享数据资源，不需要通过其他方式进行通信
3.3互斥锁
线程可以对共享资源进行随意修改，会导致线程间数据调用混乱，简单的方法就是加锁，先到的线程上锁，后到的排队，等锁打开再进行
互斥锁（mutex）防止多线程同时读写某一内存区域，互斥锁引入一个状态：锁定和非锁定，互斥锁保证每一次只有一个线程进程读写操作

from threading import Thread,Lock
import time
n=100
def task():
    global n
    mutex.acquire() #上锁
    temp=n   #赋值给临时变量
    time.sleep(0.1)
    n=temp-1  #数量减1
    print("购买成功，剩余%d张电影票"%n)
    mutex.release()  #释放锁
if __name__=='__main__':
    mutex=Lock()  #实例化Lock类
    t_l=[]  #初始化一个列表
    for i in range(10):
        t=Thread(target=task) #实例化线程类
        t_l.append(t)  #将线程实例存入列表中
        t.start() #创建线程
    for t in t_l:
        t.join() #等待子线程结束

3.4消息队列在线程间通信
使用queue模块的Queue，在线程间通信，通常用于生产者和消费者模式。生产数据的模块成为生产者，处理数据的模块成为消费者，生产者与消费者之间的缓冲区称为仓库。

from queue import Queue
import threading,time,random
class Producer(threading.Thread):
    def __init__(self,name,queue):
        threading.Thread.__init__(self,name=name)
        self.data=queue
    def run(self) :
        for i in range(5):
            print("生产者%s将产品%d加入队列！"%(self.getName(),i))
            self.data.put(i)
            time.sleep(random.random())
        print("生产者%s完成！"%self.getName())
class Consumer(threading.Thread):
    def __init__(self,name,queue):
        threading.Thread.__init__(self, name=name)
        self.data = queue

    def run(self):
        for i in range(5):
            val=self.data.get()
            print("消费者%s将产品%d取出队列！" % (self.getName(), val))
            time.sleep(random.random())
        print("消费者%s完成！" % self.getName())

if __name__=='__main__':
    print("主线程开始")
    queue=Queue()
    producer=Producer('producer',queue)
    consumer=Consumer('consumer',queue)
    producer.start()
    consumer.start()
    producer.join()
    consumer.join()
    print("主线程结束")

3.5GIL
全局解释器锁（global interpreter lock），某个线程想要执行，必须先拿到 GIL，我们可以把 GIL 看作是“通行证”，并且在一个 Python 进程中，GIL 只有一个。拿不到通行证的线程，就不允许进入 CPU 执行。Python 中，无论是单核还是多核，同时只能由一个线程在执行。其根源是 GIL 的存在。
每次释放 GIL锁，线程进行锁竞争、切换线程，会消耗资源。这就导致打印线程执行时长，会发现耗时更长的原因。

并且由于 GIL 锁存在，Python 里一个进程永远只能同时执行一个线程(拿到 GIL 的线程才能执行)，这就是为什么在多核CPU上，Python 的多线程效率并不高的根本原因