Python基础-多任务编程

第十一章多任务编程

11.1多进程的使用

学习目标

• 能够使用多进程完成多任务

---

1 导入进程包

#导入进程包
import multiprocessing

2. Process进程类的说明

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])

• group：指定进程组，目前只能使用None
• target：执行的目标任务名
• name：进程名字
• args：以元组方式给执行任务传参
• kwargs：以字典方式给执行任务传参

Process创建的实例对象的常用方法:

• start()：启动子进程实例（创建子进程）
• join()：等待子进程执行结束
• terminate()：不管任务是否完成，立即终止子进程

Process创建的实例对象的常用属性:

name：当前进程的别名，默认为Process-N，N为从1开始递增的整数

import multiprocessing

# 跳舞任务
import time


def dance():
    for i in range(5):
        print("跳舞中...")
        time.sleep(0.2)

# 喝歌任务
def sing():
    for i in range(5):
        print('唱歌中...')
        time.sleep(0.2)


if __name__ == '__main__':
    # 创建跳舞的子进程
    # group: 表示进程组，目前只能使用None
    # target: 表示执行的目标任务名(函数名、方法名)
    # name: 进程名称, 默认是Process-1, .....
    dance_process=multiprocessing.Process(target=dance,name="myprocess1")
    sing_process=multiprocessing.Process(target=sing)

    #启动子进程执行对应的任务
    dance_process.start()
    sing_process.start()

11.2获取进程编号

学习目标

• 能够知道如果获取进程编号

---

1. 获取进程编号的目的

获取进程编号的目的是验证主进程和子进程的关系，可以得知子进程是由那个主进程创建出来的。

获取进程编号的两种操作

• 获取当前进程编号
• 获取当前父进程编号

2. 获取当前进程编号

os.getpid() 表示获取当前进程编号

import multiprocessing

# 跳舞任务
import os
import time


def dance():
    for i in range(5):
        # 获取当前进程的编号
        print("dance:",os.getpid())
        # 获取当前进程
        print("dance:",multiprocessing.current_process())
        for i in range(5):
            print("跳舞中...")
            time.sleep(0.2)
            # 扩展:根据进程编号杀死指定进程
            os.kill(os.getpid(),9)


# 喝歌任务
def sing():
    # 获取当前进程的编号
    print("sing:", os.getpid())
    # 获取当前进程
    print("sing:", multiprocessing.current_process())
    for i in range(5):
        print("唱歌中...")
        time.sleep(0.2)

if __name__ == '__main__':
    # 获取当前进程的编号
    print("main:", os.getpid())
    # 获取当前进程
    print("main:", multiprocessing.current_process())
    # 创建跳舞的子进程
    # group: 表示进程组，目前只能使用None
    # target: 表示执行的目标任务名(函数名、方法名)
    # name: 进程名称, 默认是Process-1, .....
    dance_process = multiprocessing.Process(target=dance, name="myprocess1")
    sing_process = multiprocessing.Process(target=sing)

    # 启动子进程执行对应的任务
    dance_process.start()
    sing_process.start()

11.3进程执行带有参数的任务

学习目标

• 能够写出进程执行带有参数的任务

---

1. 进程执行带有参数的任务的介绍

前面我们使用进程执行的任务是没有参数的，假如我们使用进程执行的任务带有参数，如何给函数传参呢?

Process类执行任务并给任务传参数有两种方式:

• args 表示以元组的方式给执行任务传参
• kwargs 表示以字典方式给执行任务传参

2. args参数的使用

# 带有参数的任务
import multiprocessing
import time


def task(count):
    for i in range(count):
        print("任务执行中...")
        time.sleep(0.2)
    else:
        print("任务执行完成")

11.4进程的注意点

学习目标

• 能够说出进程的注意点

---

1. 进程的注意点介绍

1. 进程之间不共享全局变量
2. 主进程会等待所有的子进程执行结束再结束

2. 进程之间不共享全局变量

# 定义全局变量
import multiprocessing
import time

g_list = list()


def add_data():

    for i in range(5):
        g_list.append(i)
        print("add:",i)
        time.sleep(0.2)

    print("add_data:", g_list)


def read_data():
    print("read_data",g_list)


if __name__ == '__main__':
    # 创建添加数据的子进程
    add_data_process=multiprocessing.Process(target=add_data)
    # 创建读取数据的子进程
    read_data_process=multiprocessing.Process(target=read_data)

    # 启动子进程执行对应的任务
    add_data_process.start()

    # 主进程等待添加数据的子进程执行完成以后程序再继续往下执行，读取数据
    add_data_process.join()

# 保证主进程正常退出的示例代码:
import multiprocessing
import time


# 定义进程所需要执行的任务
def task():
    for i in range(10):
        print("任务执行中...")
        time.sleep(0.2)

if __name__ == '__main__':
    # 创建子进程
    sub_process = multiprocessing.Process(target=task)
    # 设置守护主进程，主进程退出子进程直接销毁，子进程的生命周期依赖与主进程
    # sub_process.daemon = True
    sub_process.start()

    time.sleep(0.5)
    print("over")
    # 让子进程销毁
    sub_process.terminate()
    exit()

    # 总结： 主进程会等待所有的子进程执行完成以后程序再退出
    # 如果想要主进程退出子进程销毁，可以设置守护主进程或者在主进程退出之前让子进程销毁

11.5多线程的使用

学习目标

• 能够使用多线程完成多任务

---

1. 导入线程模块

#导入线程模块
import threading

2. 线程类Thread参数说明

Thread([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])

• group: 线程组，目前只能使用None
• target: 执行的目标任务名
• args: 以元组的方式给执行任务传参
• kwargs: 以字典方式给执行任务传参
• name: 线程名，一般不用设置

3. 启动线程

启动线程使用start方法

4. 多线程完成多任务的代码

import threading
import time

# 唱歌任务
def sing():
    # 扩展： 获取当前线程
    # print("sing当前执行的线程为：", threading.current_thread())
    for i in range(3):
        print("正在唱歌...%d" % i)
        time.sleep(1)


# 跳舞任务
def dance():

    # 扩展： 获取当前线程
    # print("dance当前执行的线程为：", threading.current_thread())
    for i in range(3):
        print("正在跳舞...%d" % i)
        time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    # 扩展： 获取当前线程
    # print("当前执行的线程为：", threading.current_thread())
    # 创建唱歌的线程
    # target： 线程执行的函数名
    sing_thread=threading.Thread(target=sing)

    # 创建跳舞的线程
    dance_thread=threading.Thread(target=dance)

    # 开启线程
    sing_thread.start()
    dance_thread.start()

5. 小结

1. 导入线程模块
   • import threading
2. 创建子线程并指定执行的任务
   • sub_thread = threading.Thread(target=任务名)
3. 启动线程执行任务
   • sub_thread.start()

11.6线程执行带有参数的任务

学习目标

• 能够写出线程执行带有参数的任务

---

1. 线程执行带有参数的任务的介绍

前面我们使用线程执行的任务是没有参数的，假如我们使用线程执行的任务带有参数，如何给函数传参呢?

Thread类执行任务并给任务传参数有两种方式:

• args 表示以元组的方式给执行任务传参
• kwargs 表示以字典方式给执行任务传参

2. args参数的使用

import threading
import time


# 带有参数的任务
def task(count):
    for i in range(count):
        print("任务执行中..")
        time.sleep(0.2)
    else:
        print("任务执行完成")


if __name__ == '__main__':
    # 创建子线程
    # args: 以元组的方式给任务传入参数
    sub_thread = threading.Thread(target=task, args=(5,))
    sub_thread.start()

3. kwargs参数的使用

import threading
import time


# 带有参数的任务
def task(count):
    for i in range(count):
        print("任务执行中..")
        time.sleep(0.2)
    else:
        print("任务执行完成")


if __name__ == '__main__':
    # 创建子线程
    # kwargs: 表示以字典方式传入参数
    sub_thread = threading.Thread(target=task, kwargs={"count": 3})
    sub_thread.start()

4. 小结

• 线程执行任务并传参有两种方式:
  • 元组方式传参(args) ：元组方式传参一定要和参数的顺序保持一致。
  • 字典方式传参(kwargs)：字典方式传参字典中的key一定要和参数名保持一致。

11.7 线程的注意点

学习目标

• 能够说出线程的注意点

---

1. 线程的注意点介绍

1. 线程之间执行是无序的
2. 主线程会等待所有的子线程执行结束再结束
3. 线程之间共享全局变量
4. 线程之间共享全局变量数据出现错误问题

2. 线程之间执行是无序的

import threading
import time


def task():
    time.sleep(1)
    print("当前线程:", threading.current_thread().name)

if __name__ == '__main__':

    for _ in range(5):
        sub_thread = threading.Thread(target=task)
        sub_thread.start()

说明:

• 线程之间执行是无序的，它是由cpu调度决定的 ，cpu调度哪个线程，哪个线程就先执行，没有调度的线程不能执行。
• 进程之间执行也是无序的，它是由操作系统调度决定的，操作系统调度哪个进程，哪个进程就先执行，没有调度的进程不能执行。

3. 主线程会等待所有的子线程执行结束再结束

假如我们现在创建一个子线程，这个子线程执行完大概需要2.5秒钟，现在让主线程执行1秒钟就退出程序，查看一下执行结果，示例代码如下:

# 测试主线程是否会等待子线程执行完成以后程序再退出
import threading
import time


def show_info():
    for i in range(5):
        print("test:", i)
        time.sleep(0.5)


if __name__ == '__main__':
    sub_thread = threading.Thread(target=show_info)
    sub_thread.start()

    # 主线程延1秒
    time.sleep(1)
    print("over")

说明:

通过上面代码的执行结果，我们可以得知: 主线程会等待所有的子线程执行结束再结束

假如我们就让主线程执行1秒钟，子线程就销毁不再执行，那怎么办呢?

• 我们可以设置守护主线程

守护主线程:

• 守护主线程就是主线程退出子线程销毁不再执行

设置守护主线程有两种方式：

1. threading.Thread(target=show_info, daemon=True)
2. 线程对象.setDaemon(True)

设置守护主线程的示例代码:

import threading
import time


# 测试主线程是否会等待子线程执行完成以后程序再退出
def show_info():
    for i in range(5):
        print("test:", i)
        time.sleep(0.5)


if __name__ == '__main__':
    # 创建子线程守护主线程
    # daemon=True 守护主线程
    # 守护主线程方式1
    sub_thread = threading.Thread(target=show_info,daemon=True)

    # 设置成为守护主线程，主线程退出后子线程直接销毁不再执行子线程的代码
    # 守护主线程方式2
    # sub_thread.setDaemon(True)
    sub_thread.start()

    # 主线程延时1秒
    time.sleep(1)
    print("over")

4. 线程之间共享全局变量

需求:

1. 定义一个列表类型的全局变量
2. 创建两个子线程分别执行向全局变量添加数据的任务和向全局变量读取数据的任务
3. 查看线程之间是否共享全局变量数据

# 定义全局变量
import threading
import time

my_list = list()

# 写入数据任务
def write_data():
    for i in range(5):
        my_list.append(i)
        time.sleep(1)
    print("write_data:", my_list)


# 读取数据任务
def read_data():
    print("read_data:", my_list)

if __name__ == '__main__':
    # 创建写入数据的线程
    write_thread = threading.Thread(target=write_data)
    # 创建读取数据的线程
    read_thread = threading.Thread(target=read_data)

    write_thread.start()
    # 延时
    # time.sleep(1)
    # 主线程等待写入线程执行完成以后代码在继续往下执行
    write_thread.join()
    print("开始读取数据啦")
    read_thread.start()

5. 线程之间共享全局变量数据出现错误问题

需求:

1. 定义两个函数，实现循环100万次，每循环一次给全局变量加1
2. 创建两个子线程执行对应的两个函数，查看计算后的结果

import threading

# 定义全局变量
g_num = 0


# 循环一次给全局变量加1
def sum_num1():
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num += 1

    print("sum1:", g_num)


# 循环一次给全局变量加1
def sum_num2():
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num += 1
    print("sum2:", g_num)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个线程
    first_thread = threading.Thread(target=sum_num1)
    second_thread = threading.Thread(target=sum_num2)

    # 启动线程
    first_thread.start()
    # 启动线程
    second_thread.start()

注意点:

多线程同时对全局变量操作数据发生了错误

错误分析:

两个线程first_thread和second_thread都要对全局变量g_num(默认是0)进行加1运算，但是由于是多线程同时操作，有可能出现下面情况：

1. 在g_num=0时，first_thread取得g_num=0。此时系统把first_thread调度为”sleeping”状态，把second_thread转换为”running”状态，t2也获得g_num=0
2. 然后second_thread对得到的值进行加1并赋给g_num，使得g_num=1
3. 然后系统又把second_thread调度为”sleeping”，把first_thread转为”running”。线程t1又把它之前得到的0加1后赋值给g_num。
4. 这样导致虽然first_thread和first_thread都对g_num加1，但结果仍然是g_num=1

全局变量数据错误的解决办法:

线程同步: 保证同一时刻只能有一个线程去操作全局变量 同步: 就是协同步调，按预定的先后次序进行运行。如:你说完，我再说, 好比现实生活中的对讲机

线程同步的方式:

1. 线程等待(join)
2. 互斥锁

线程等待的示例代码:

# 定义全局变量
import threading

g_num = 0


# 循环1000000次每次给全局变量加1
def sum_num1():
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num += 1

    print("sum1:", g_num)


# 循环1000000次每次给全局变量加1
def sum_num2():
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num += 1
    print("sum2:", g_num)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个线程
    first_thread = threading.Thread(target=sum_num1)
    second_thread = threading.Thread(target=sum_num2)

    # 启动线程
    first_thread.start()
    # 主线程等待第一个线程执行完成以后代码再继续执行，让其执行第二个线程
    # 线程同步： 一个任务执行完成以后另外一个任务才能执行，同一个时刻只有一个任务在执行
    first_thread.join()

    # 启动线程
    second_thread.start()

6. 小结

• 线程执行执行是无序的
• 主线程默认会等待所有子线程执行结束再结束，设置守护主线程的目的是主线程退出子线程销毁。
• 线程之间共享全局变量，好处是可以对全局变量的数据进行共享。
• 线程之间共享全局变量可能会导致数据出现错误问题，可以使用线程同步方式来解决这个问题。
  • 线程等待(join)

11.8互斥锁

学习目标

• 能够知道互斥锁的作用

---

1.互斥锁的概念

互斥锁: 对共享数据进行锁定，保证同一时刻只能有一个线程去操作。

注意:

• 互斥锁是多个线程一起去抢，抢到锁的线程先执行，没有抢到锁的线程需要等待，等互斥锁使用完释放后，其它等待的线程再去抢这个锁。

2. 互斥锁的使用

threading模块中定义了Lock变量，这个变量本质上是一个函数，通过调用这个函数可以获取一把互斥锁。

互斥锁使用步骤:

# 创建锁
mutex = threading.Lock()

# 上锁
mutex.acquire()

...这里编写代码能保证同一时刻只能有一个线程去操作, 对共享数据进行锁定...

# 释放锁
mutex.release()

注意点:

• acquire和release方法之间的代码同一时刻只能有一个线程去操作
• 如果在调用acquire方法的时候 其他线程已经使用了这个互斥锁，那么此时acquire方法会堵塞，直到这个互斥锁释放后才能再次上锁。

3. 使用互斥锁完成2个线程对同一个全局变量各加100万次的操作

# 定义全局变量
import threading

g_num = 0

# 创建全局互斥锁
lock = threading.Lock()

# 循环一次给全局变量加1
def sum_num1():
    # 上锁
    lock.acquire()
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num+=1

    print("sum1:",g_num)

    # 释放锁
    lock.release()


# 循环一次给全局变量加1
def sum_num2():
    # 上锁
    lock.acquire()
    for i in range(1000000):
        global g_num
        g_num += 1
    print("sum2:", g_num)
    # 释放锁
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    # 创建两个线程
    first_thread = threading.Thread(target=sum_num1)
    second_thread = threading.Thread(target=sum_num2)
    # 启动线程
    first_thread.start()
    second_thread.start()

    # 提示：加上互斥锁，那个线程抢到这个锁我们决定不了，那线程抢到锁那个线程先执行，没有抢到的线程需要等待
    # 加上互斥锁多任务瞬间变成单任务，性能会下降，也就是说同一时刻只能有一个线程去执行

4. 小结

• 互斥锁的作用就是保证同一时刻只能有一个线程去操作共享数据，保证共享数据不会出现错误问题
• 使用互斥锁的好处确保某段关键代码只能由一个线程从头到尾完整地去执行
• 使用互斥锁会影响代码的执行效率，多任务改成了单任务执行
• 互斥锁如果没有使用好容易出现死锁的情况

11.9死锁

学习目标

• 能够知道产生死锁的原因

---

1. 死锁的概念

死锁: 一直等待对方释放锁的情景就是死锁

2. 死锁示例

需求:

根据下标在列表中取值, 保证同一时刻只能有一个线程去取值

import threading

import time

# 创建互斥锁
lock = threading.Lock()


# 根据下标去取值， 保证同一时刻只能有一个线程去取值
def get_value(index):

    # 上锁
    lock.acquire()
    print(threading.current_thread())
    my_list = [3,6,8,1]
    # 判断下标释放越界
    if index >= len(my_list):
        print("下标越界:", index)
        return
    value = my_list[index]
    print(value)
    time.sleep(0.2)
    # 释放锁
    lock.release()


if __name__ == '__main__':
    # 模拟大量线程去执行取值操作
    for i in range(30):
        sub_thread = threading.Thread(target=get_value, args=(i,))
        sub_thread.start()

3. 避免死锁

• 在合适的地方释放锁

mport threading
import time

# 创建互斥锁
lock = threading.Lock()


# 根据下标去取值， 保证同一时刻只能有一个线程去取值
def get_value(index):

    # 上锁
    lock.acquire()
    print(threading.current_thread())
    my_list = [3,6,8,1]
    if index >= len(my_list):
        print("下标越界:", index)
        # 当下标越界需要释放锁，让后面的线程还可以取值
        lock.release()
        return
    value = my_list[index]
    print(value)
    time.sleep(0.2)
    # 释放锁
    lock.release()


if __name__ == '__main__':
    # 模拟大量线程去执行取值操作
    for i in range(30):
        sub_thread = threading.Thread(target=get_value, args=(i,))
        sub_thread.start()

4. 小结

• 使用互斥锁的时候需要注意死锁的问题，要在合适的地方注意释放锁。
• 死锁一旦产生就会造成应用程序的停止响应，应用程序无法再继续往下执行了。