【python】多任务编程

python多任务编程

有哪些编程提速的方法
单线程串行：不加改造的程序
多线程并发：利用CPU和IO可以同时执行的原理，让CPU不会干巴巴等待IO完成
多CPU并行/多进程：利用多核CPU的能力，真正的并行执行任务
多机器并行：hadoop/hive/spark
异步IO:asyncio:在单线程利用cpu和IO同时执行的原理，实现函数异步执行

使用Lock对资源加锁,防止冲突访问
使用Queue实现不同线程/进程之间的数据通信，实现生产者-消费者模式
使用线程池Pool/进程池Pool,简化线程/进程的任务提交、等待结束、获取结果
使用subprocess启动外部程序的进程，并进行输入输出交互

python并发编程

• 多线程
• 多进程
• 多协程

CPU密集型计算/IO密集型计算

• **cpu密集型计算：**也叫计算密集型，是指I/O在很短的时间就可以完成，CPU需要大量的计算和处理，特点是CPU占用率非常高
  例如：压缩解压缩、加密解密、正则表达式搜索
• IO密集型：系统运作大部分的状况是CPU在等I/O的读/写操作，CPU占用率仍然较低
  例如：文件处理程序、网络爬虫程序、读写数据库程序

多线程、多进程、多协程对比

一个进程中可以启动N个线程
多进程 Process:
优点：可以利用多核CPU进行运算
缺点：占用资源多、可启动数目比线程少
适用于：CPU密集型计算

多线程 Thread:
优点：相比进程，更轻量级、占用资源小
缺点：相比进程：多线程只能并发执行，不能利用多CPU(GIL)
相比协程：启动数据有限制，占用内存资源，有线程切换开销
适用于：IO密集型计算、同时运行的任务数目要求不多

一个线程中可以启动N个协程

多协程 Coroutine:
优点：内存开销最少，启动协程数量最多
缺点：支持的库有限制，代码实现复杂
适用于：IO密集型计算、需要超多任务运行、但有现有库支持的场景

python速度慢的两大原因：

相比于C/C++/JAVA，python确实慢，在一些特殊场景下，python比C++慢100~200倍
1、动态类型语言 边解释边执行
2、GIL 无法利用多核CPU并发执行

GIL是什么？

全局解释器锁：是计算机程序设计语言解释器用于同步线程的一种机制，他使得任何时刻仅有一个线程在执行
即便在多核心处理器上，使用GIL的解释器也只允许同一时间执行一个线程

为什么有GIL这个东西？

为了解决多线程之间数据完整性和状态同步问题

怎样规避GIL带来的限制？

1、多线程机制仍然是有用的，用于I/O密集型计算
因为在I/O期间，线程会释放GIL，实现CPU和IO的并行。因此多线程用于IO密集型计算仍可以大幅度提升速度
但是多线程用于CPU密集型计算时，只会更加拖慢速度

2、使用multiprocessing的多进程制实现并行计算、利用多核CPU优势
对了应对GIL,python提供提供了multiprocessing

线程安全概念介绍

线程安全是指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的共享变量，使程序功能能正确完成
由于线程的执行随时会发生切换，就造成了不可预料的结果，出现线程不安全

Lock用于解决线程安全问题

 用法一：try-finally模式： 
 import threading 
 lock = threading.Lock()
 lock.acquire() 
 try:

     # do something 
finally:
      lock.release()
 

用法二：with模式
import threading l
lock = threading.Lock() 
with lock:
      # do something

python好用的线程池ThreadPoolExecutor

使用线程池的好处

1、提升性能：因为减去了大量新建、终止线程的开销，重用了线程资源
2、使用场景：适合处理突发性大量请求或需要大量线程完成任务、但实际任务处理时间较短
3、防御功能：能有效避免系统因为创建线程过多，而导致系统负荷过大相应变慢等问题
4、代码优势：使用线程池的语法比自己新建线程执行线程更加整洁

ThreadPoolExecutor的使用语法

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor,as_completed
# 用法一：map函数很简单，注意map的结果和入参是顺序对应的
with ThreadPoolExecutor() as pool:
     results = pool.map(craw,urls)

     for result in results:
          print(result)

 # 用法二：future模式，更强大  注意如果用as_completed顺序是不定的
with ThreadPoolExecutor as pool:

     futures = [pool.submit(craw,url) for url in urls]  

     for future in futures:
          print(future.result())
     for future in as_completed(futures):
          print(future.result())     

python使用线程在web服务中实现加速

1、web服务的架构以及特点

Web后台服务的特点：
1、web服务对相应时间要求非常高，不如要求200MS返回
2、web服务有大量的依赖IO操作的调用，比如磁盘文件、数据库、远程API

2、使用线程池ThreadPoolExecutor加速

使用线程池ThreadPoolExcutor的好处：
1、方便的将磁盘文件、数据库、远程API的IO调用并发执行
2、线程池的线程数目不会无线创建（导致系统挂掉），具有防御功能

import flask
import json
import time
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

app = flask.Flask(__name__)
pool = ThreadPoolExecutor()


def read_file():
    time.sleep(0.1)
    return "file_result"

def read_db():
    time.sleep(0.2)
    return "read db"

def read_api():
    time.sleep(0.3)
    return "read api"

@app_route("/")
def index():
    result_file = pool.submit(read_file)
    result_db = pool.submit(read_db)
    result_api = pool.submit(read_api)

    return json.dumps({
        "result_file":result_file.result(),
        "result_db": result_db.result(),
        "result_api": result_api.result()
    })


if __name__ == '__main__':
    app.run()

python进程（适用于CPU密集型）

python协程：在单线程内实现并发

核心原理：用一个超级循环（其实就是while true）循环；配合IO多路复用原理（IO时可以去干其他事情）

python异步IO库：asyncio

import asyncio
# 获取时间循环
loop = asyncio.get_event_loop()

# 定义协程
async def myfunc(url):
     await get_url(url)

# 创建task列表
tasks = [loop.create_task(my_func(url)) for url in urls]

# 执行爬虫时间列表
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))


注意：
需要在异步IO变成中
以来的库必须支持异步IO特征

爬虫引用中：requests 不支持异步  需要用aiohttp

在异步IO中使用信号量控制爬虫并发度

import asyncio
import aiohttp

urls = [
    "https://www.cnblogs.com/#p{page}".format(page=page)
    for page in range(1,50+1)
]

# 进行初始化一个并发量
semaphore = asyncio.Semaphore(10)

async def async_craw(url):
    # 设置并发量
    async with semaphore:
        async with aiohttp.ClientSession() as session:
            async with session.get(url) as resp:
                result = await resp.text()
                print(f"craw url:{url}".format(url=url),{len(result)})



loop = asyncio.get_event_loop()

# 创建task列表
tasks = [loop.create_task(async_craw(url)) for url in urls]





import time
start = time.time()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
end = time.time()
print("use time second:" ,end - start)