一、多任務(wù)編程

意義：充分利用計算機的資源提高程序的運行效率

定義：通過應(yīng)用程序利用計算機多個核心，達到同時執(zhí)行多個任務(wù)的目的

實施方案： 多進程、多線程

并行：多個計算機核心并行的同時處理多個任務(wù)

并發(fā)：內(nèi)核在多個任務(wù)間不斷切換，達到好像內(nèi)核在同時處理多個任務(wù)的運行效果

進程：程序在計算機中運行一次的過程

程序：是一個可執(zhí)行文件，是靜態(tài)的，占有磁盤，不占有計算機運行資源

進程：進程是一個動態(tài)的過程描述，占有CPU內(nèi)存等計算機資源的，有一定的生命周期

同一個程序的不同執(zhí)行過程是不同的進程，因為分配的計算機資源等均不同

父子進程 : 系統(tǒng)中每一個進程(除了系統(tǒng)初始化進程)都有唯一的父進程,可以有0個或多個子進
程。父子進程關(guān)系便于進程管理。

二、進程

CPU時間片：如果一個進程在某個時間點被計算機分配了內(nèi)核，我們稱為該進程在CPU時間片上。

PCB(進程控制塊)：存放進程消息的空間

進程ID(PID)：進程在操作系統(tǒng)中的唯一編號，由系統(tǒng)自動分配

進程信息包括：進程PID，進程占有的內(nèi)存位置，創(chuàng)建時間，創(chuàng)建用戶. . . . . . . .

進程特征：

• 進程是操作系統(tǒng)分配計算機資源的最小單位
• 每一個進程都有自己單獨的虛擬內(nèi)存空間
• 進程間的執(zhí)行相互獨立，互不影響

進程的狀態(tài)

1、三態(tài)

• 就緒態(tài)：進程具備執(zhí)行條件，等待系統(tǒng)分配CPU
• 運行態(tài)：進程占有CPU處理器，處于運行狀態(tài)
• 等待態(tài)：進程暫時不具備運行條件，需要阻塞等待，讓出CPU

2、五態(tài)（增加新建態(tài)和終止態(tài)）

• 新建態(tài)：創(chuàng)建一個新的進程，獲取資源的過程
• 終止態(tài)：進程結(jié)束釋放資源的過程

查看進程樹：pstree

查看父進程PID：ps -ajx

linux查看進程命令：ps -aux

有一列為STAT為進程的狀態(tài)

• D 等待態(tài) （不可中斷等待）（阻塞）
• S 等待態(tài) （可中斷等待）（睡眠）
• T 等待態(tài) （暫停狀態(tài)）
• R 運行態(tài) （就緒態(tài)運行態(tài)）
• Z 僵尸態(tài)
• + 前臺進程（能在終端顯示出現(xiàn)象的）
• 高優(yōu)先級
• N 低優(yōu)先級
• l 有多線程的
• s 會話組組長

三、os.fork創(chuàng)建進程

pid = os.fork()　

功能：創(chuàng)建一個子進程

返回值：創(chuàng)建成功在原有的進程中返回子進程的PID，在子進程中返回0；創(chuàng)建失敗返回一個負(fù)數(shù)

父子進程通常會根據(jù)fork返回值的差異選擇執(zhí)行不同的代碼（使用if結(jié)構(gòu)）

import  os 
from time import sleep

pid = os.fork()

if pid  0:
    print("創(chuàng)建進程失敗")

#子進程執(zhí)行部分
elif pid == 0:
    print("新進程創(chuàng)建成功")

#父進程執(zhí)行部分
else:
    sleep(1)
    print("原來的進程")

print("程序執(zhí)行完畢")

# 新進程創(chuàng)建成功
# 原來的進程
# 程序執(zhí)行完畢

• 子進程會復(fù)制父進程全部代碼段(包括fork前的代碼)但是子進程僅從fork的下一句開始執(zhí)行
• 父進程不一定先執(zhí)行(進程之間相互獨立，互不影響)
• 父子進程各有自己的屬性特征，比如：PID號PCB內(nèi)存空間
• 父進程fork之前開辟的空間子進程同樣擁有，但是進程之間相互獨立，互不影響．

父子進程的變量域

import os 
from time import sleep 

a = 1
pid = os.fork()
if pid  0:
    print("創(chuàng)建進程失敗")
elif pid == 0:
    print("子進程")
    print("a = ",a)
    a = 10000
    print("a = ",a)
else:
    sleep(1)
    print("父進程")
    print("parent a :",a)    # a = 1

# 子進程
# a =  1
# a =  10000
# 父進程
# parent a : 1

3.1、進程ID和退出函數(shù)

os.getpid()獲取當(dāng)前進程的PID號

返回值：返回PID號

os.getppid()獲取父類進程的進程號

返回值：返回PID號

import os

pid = os.fork()

if pid  0:
  print("Error")
elif pid == 0:
  print("Child PID:", os.getpid())       # 26537
  print("Get parent PID:", os.getppid()) # 26536
else:
  print("Get child PID:", pid)           # 26537
  print("Parent PID:", os.getpid())      # 26536

os._exit(status)退出進程

參數(shù)：進程的退出狀態(tài)　　整數(shù)

sys.exit([status])退出進程

參數(shù)：默認(rèn)為0　整數(shù)則表示退出狀態(tài)；符串則表示退出時打印內(nèi)容

sys.exit([status])可以通過捕獲SystemExit異常阻止退出

import os,sys

# os._exit(0)                 # 退出進程
try:
    sys.exit("退出")
except SystemExit as e:
    print("退出原因：",e)    # 退出原因： 退出

四、孤兒和僵尸

4.1、孤兒進程

父進程先于子進程退出，此時子進程就會變成孤兒進程

孤兒進程會被系統(tǒng)指定的進程收養(yǎng)，即系統(tǒng)進程會成為該孤兒進程新的父進程。孤兒進程退出時該父進程會處理退出狀態(tài)

4.2、僵尸進程

子進程先與父進程退出，父進程沒有處理子進程退出狀態(tài)，此時子進程成為僵尸進程

僵尸進程已經(jīng)結(jié)束，但是會滯留部分PCB信息在內(nèi)存，大量的僵尸會消耗系統(tǒng)資源，應(yīng)該盡量避免

4.3、如何避免僵尸進程的產(chǎn)生

父進程處理子進程退出狀態(tài)

pid, status = os.wait()

功能：在父進程中阻塞等待處理子進程的退出

返回值：pid 退出的子進程的PID號

status 子進程的退出狀態(tài)

import os, sys

pid = os.fork()

if pid  0:
  print("Error")
elif pid == 0:
  print("Child process", os.getpid())   # Child process 27248
  sys.exit(1)
else:
  pid, status = os.wait()     # 阻塞等待子進程退出
  print("pid : ", pid)        # pid :  27248
  # 還原退出狀態(tài)
  print("status:", os.WEXITSTATUS(status))      # status: 1
  while True:
    pass

創(chuàng)建二級子進程

• 父進程創(chuàng)建子進程等待子進程退出
• 子進程創(chuàng)建二級子進程，然后馬上退出
• 二級子進程成為孤兒，處理具體事件

import os
from time import sleep

def fun1():
    sleep(3)
    print("第一件事情")

def fun2():
    sleep(4)
    print("第二件事情")

pid = os.fork()

if pid  0:
    print("Create process error")
elif pid == 0:          # 子進程
    pid0 = os.fork()    # 創(chuàng)建二級進程
    if pid0  0:
        print("創(chuàng)建二級進程失敗")
    elif pid0 == 0:     # 二級子進程
        fun2()          # 做第二件事
    else:               # 二級進程
        os._exit(0)     # 二級進程退出
else:
    os.wait()
    fun1()              # 做第一件事

# 第一件事情
# 第二件事情

通過信號處理子進程退出

原理: 子進程退出時會發(fā)送信號給父進程,如果父進程忽略子進程信號, 則系統(tǒng)就會自動處理子進程退出。

方法: 使用signal模塊在父進程創(chuàng)建子進程前寫如下語句 :

import signal

signal.signal(signal.SIGCHLD,signal.SIG_IGN)

特點 : 非阻塞,不會影響父進程運行?？梢蕴幚硭凶舆M程退出

五、Multiprocessing創(chuàng)建進程

步驟：

• 需要將要做的事情封裝成函數(shù)
• multiprocessing.Process創(chuàng)建進程，并綁定函數(shù)
• start啟動進程
• join回收進程

p = multiprocessing.Process(target, [name], [args], [kwargs])

創(chuàng)建進程對象

參數(shù)：

• target ： 要綁定的函數(shù)名
• name ： 給進程起的名稱 （默認(rèn)Process-1）
• args：元組用來給target函數(shù)傳參
• kwargs :字典用來給target函數(shù)鍵值傳參

p.start()

功能： 啟動進程 自動運行terget綁定函數(shù)。此時進程被創(chuàng)建

p.join([timeout])

功能： 阻塞等待子進程退出，最后回收進程

參數(shù)： 超時時間

multiprocessing的注意事項：

• 使用multiprocessing創(chuàng)建進程子進程同樣復(fù)制父進程的全部內(nèi)存空間，之后有自己獨立的空間，執(zhí)行上互不干擾
• 如果不使用join回收可能會產(chǎn)生僵尸進程
• 一般父進程功能就是創(chuàng)建子進程回收子進程，所有事件交給子進程完成
• multiprocessing創(chuàng)建的子進程無法使用ptint

import multiprocessing as mp 
from time import sleep 
import os

a = 1

def fun():
    sleep(2)
    print("子進程事件",os.getpid())
    global a
    a = 10000
    print("a = ",a)

p = mp.Process(target = fun)    # 創(chuàng)建進程對象
p.start()   # 啟動進程
sleep(3)
print("這是父進程")
p.join()    # 回收進程
print("parent a:",a)

# 子進程事件 5434
# a =  10000
# 這是父進程
# parent a: 1

Process(target)

5.1、multiprocessing進程屬性

p.name ：進程名稱

p.pid ：對應(yīng)子進程的PID號

p.is_alive()：查看子進程是否在生命周期

p.daemon： 設(shè)置父子進程的退出關(guān)系

如果等于True則子進程會隨父進程的退出而結(jié)束，就不用使用 join()，必須要求在start()前設(shè)置

六、進程池

引言：如果有大量的任務(wù)需要多進程完成，而任務(wù)周期又比較短且需要頻繁創(chuàng)建。此時可能產(chǎn)生大量進程頻繁創(chuàng)建銷毀的情況，消耗計算機資源較大，這個時候就需要進程池技術(shù)

進程池的原理：創(chuàng)建一定數(shù)量的進程來處理事件,事件處理完進程不退出而是繼續(xù)處理其他事件,直到所有事件全都處理完畢統(tǒng)一銷毀。增加進程的重復(fù)利用,降低資源消耗。

1．創(chuàng)建進程池，在池內(nèi)放入適當(dāng)數(shù)量的進程

from multiprocessing import Pool

Pool(processes)　　創(chuàng)建進程池對象

• 參數(shù)：進程數(shù)量
• 返回 ：指定進程數(shù)量，默認(rèn)根據(jù)系統(tǒng)自動判定

2．將事件封裝函數(shù)，放入到進程池

pool.apply_async(fun,args,kwds)　　將事件放入進程池執(zhí)行

參數(shù)：

• fun 要執(zhí)行的事件函數(shù)
• args 以元組為fun傳參
• kwds 以字典為fun傳參

返回值 ：返回一個事件對象 通過get()屬性函數(shù)可以獲取fun的返回值

3．關(guān)閉進程池

pool.close()：關(guān)閉進程池，無法再加入事件

4．回收進程

pool.join()：回收進程池

from multiprocessing import Pool
from time import sleep,ctime

pool = Pool(4)    # 創(chuàng)建進程池
# 進程池事件
def worker(msg):
  sleep(2)
  print(msg)
  return ctime()

# 向進程池添加執(zhí)行事件
for i in range(4):
  msg = "Hello %d"%i

  # r 代表func事件的一個對象
  r = pool.apply_async(func=worker,args=(msg,))

pool.close()    # 關(guān)閉進程池
pool.join()     # 回收進程池

# Hello 3
# Hello 2
# Hello 0
# Hello 1

七、進程間通信(IPC)

由于進程間空間獨立，資源無法共享，此時在進程間通信就需要專門的通信方法。

進程間通信方法 ： 管道 消息隊列 共享內(nèi)存 信號信號量 套接字

7.1、管道通信(Pipe)

通信原理：在內(nèi)存中開辟管道空間，生成管道操作對象，多個進程使用同一個管道對象進行讀寫即可實現(xiàn)通信　

from　multiprocessing import Pipe

fd1, fd2 = Pipe(duplex = True)

• 功能：創(chuàng)建管道
• 參數(shù)：默認(rèn)表示雙向管道，如果為False 表示單向管道
• 返回值：表示管道兩端的讀寫對象；如果是雙向管道均可讀寫；如果是單向管道fd1只讀 fd2只寫

fd.recv()

• 功能 : 從管道獲取內(nèi)容
• 返回值:獲取到的數(shù)據(jù)，當(dāng)管道為空則阻塞

fd.send(data)

• 功能: 向管道寫入內(nèi)容
• 參數(shù): 要寫入的數(shù)據(jù)

注意：

• multiprocessing中管道通信只能用于父子關(guān)系進程中
• 管道對象在父進程中創(chuàng)建，子進程通過父進程獲取

from multiprocessing import Pipe, Process

fd1, fd2 = Pipe()   # 創(chuàng)建管道，默認(rèn)雙向管道
def fun1():
  data = fd1.recv()     # 從管道獲取消息
  print("管道２傳給管道１的數(shù)據(jù)", data)
  inpu = "跟你說句悄悄話"
  fd1.send(inpu)

def fun2():
  fd2.send("肥水不流外人天")
  data = fd2.recv()
  print("管道１傳給管道２的數(shù)據(jù)", data)

p1 = Process(target=fun1)
P2 = Process(target=fun2)

p1.start()
P2.start()

p1.join()
P2.join()
# 管道２傳給管道１的數(shù)據(jù) 肥水不流外人天
# 管道１傳給管道２的數(shù)據(jù) 跟你說句悄悄話

7.2、消息隊列

從內(nèi)存中開辟隊列結(jié)構(gòu)空間，多個進程可以向隊列投放消息，在取出來的時候按照先進先出順序取出

q = Queue(maxsize = 0)　　

創(chuàng)建隊列對象

• maxsize ：默認(rèn)表示系統(tǒng)自動分配隊列空間；如果傳入正整數(shù)則表示最多存放多少條消息
• 返回值 ： 隊列對象

q.put(data,[block,timeout])　　

向隊列中存入消息

• data：存放消息（python數(shù)據(jù)類型）
• block：默認(rèn)為True表示當(dāng)前隊列滿的時候阻塞，設(shè)置為False則表示非阻塞
• timeout：當(dāng)block為True表示超時時間

返回值：返回獲取的消息

q.get([block,timeout])

從隊列取出消息

• 參數(shù):block 設(shè)置是否阻塞 False為非阻塞；timeout 超時檢測
• 返回值: 返回獲取到的內(nèi)容

q.full()：判斷隊列是否為滿

q.empty()：判斷隊列是否為空

q.qsize()：判斷當(dāng)前隊列有多少消息

q.close()：關(guān)閉隊列

from multiprocessing import Process, Queue
from time import sleep
from random import randint

#  創(chuàng)建消息隊列
q = Queue(3)


# 請求進程
def request():
  for i in range(2):
    x = randint(0, 100)
    y = randint(0, 100)
    q.put((x, y))


# 處理進程
def handle():
  while True:
    sleep(1)
    try:
      x, y = q.get(timeout=2)
    except:
      break
    else:
      print("%d + %d = %d" % (x, y, x + y))


p1 = Process(target=request)
p2 = Process(target=handle)
p1.start()
p2.start()
p1.join()
p2.join()
# 12 + 61 = 73
# 69 + 48 = 117

7.3、共享內(nèi)存

在內(nèi)存中開辟一段空間，存儲數(shù)據(jù)，對多個進程可見，每次寫入共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會覆蓋之前的內(nèi)容，效率高，速度快

from multiprocessing import Value, Array

obj = Value(ctype,obj)

功能：開辟共享內(nèi)存空間

參數(shù)：

ctype：字符串，要轉(zhuǎn)變的c的數(shù)據(jù)類型，對比類型對照表

obj：共享內(nèi)存的初始化數(shù)據(jù)

返回：共享內(nèi)存對象

from multiprocessing import Process,Value
import time
from random import randint

# 創(chuàng)建共享內(nèi)存
money = Value('i', 5000)

#  修改共享內(nèi)存
def man():
  for i in range(30):
    time.sleep(0.2)
    money.value += randint(1, 1000)

def girl():
  for i in range(30):
    time.sleep(0.15)
    money.value -= randint(100, 800)

m = Process(target=man)
g = Process(target=girl)
m.start()
g.start()
m.join()
g.join()

print("一月余額:", money.value)   # 獲取共享內(nèi)存值
# 一月余額: 4264

obj = Array(ctype,obj)

功能：開辟共享內(nèi)存

參數(shù)：

ctype：要轉(zhuǎn)化的c的類型

obj：要存入共享的數(shù)據(jù)

如果是列表將列表存入共享內(nèi)存，要求數(shù)據(jù)類型一致

如果是正整數(shù)表示開辟幾個數(shù)據(jù)空間

from multiprocessing import Process, Array

# 創(chuàng)建共享內(nèi)存
# shm = Array('i',[1,2,3])
# shm = Array('i',3)  # 表示開辟三個空間的列表
shm = Array('c',b"hello") #字節(jié)串

def fun():
  # 共享內(nèi)存對象可迭代
  for i in shm:
    print(i)
  shm[0] = b'H'

p = Process(target=fun)
p.start()
p.join()

for i in shm:   # 子進程修改，父進程中也跟著修改
  print(i)

print(shm.value) # 打印字節(jié)串　b'Hello'

7.4、信號量(信號燈集)

通信原理：給定一個數(shù)量對多個進程可見。多個進程都可以操作該數(shù)量增減,并根據(jù)數(shù)量值決定自己的行為。

from multiprocessing import Semaphore
sem = Semaphore(num)

創(chuàng)建信號量對象

• 參數(shù) : 信號量的初始值
• 返回值 : 信號量對象

sem.acquire()將信號量減1 當(dāng)信號量為0時阻塞

sem.release()將信號量加1

sem.get_value()獲取信號量數(shù)量

from multiprocessing import Process, Semaphore

sem = Semaphore(3)    # 創(chuàng)建信號量，最多允許３個任務(wù)同時執(zhí)行

def rnewu():
  sem.acquire()   # 每執(zhí)行一次減少一個信號量
  print("執(zhí)行任務(wù).....執(zhí)行完成")
  sem.release()   # 執(zhí)行完成后增加信號量


for i in range(3):  # 有３個人想要執(zhí)行任務(wù)
  p = Process(target=rnewu)
  p.start()
  p.join()

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