「Python 面试」第三次更新
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14.说一下进程、线程、以及多任务（多进程、多线程和协程）
进程
- 概念
一个程序对应一个进程，这个进程被叫做主进程，而一个主进程下面还有许多子进程。 实现方式
fork()
示例：import os print('current_pid :%d' % os.getpid()) res = os.fork() # 子进程返回的是 0 if res == 0: print('res: %d' % res) print('sub_pid: %d' % os.getpid()) # 主进程返回的是子进程的 pid else: print('main_pid: %d' % os.getpid()) print('res：%d' % res) # 结果为 current_pid :12775 main_pid: 12775 res：12776 res: 0 sub_pid: 12776multiprocessing.Processmultiprocessing.Process
示例：from multiprocessing import Process import os, time print('man_process pid : %d' % os.getpid()) class NewProcess(Process): def __init__(self): Process.__init__(self) def run(self): time.sleep(3) print('%d process was runing' % os.getpid()) np = NewProcess() np.start() # 结果为 man_process pid : 7846 7847 process was runingmultiprocessing.Pool
同步（apply）
示例：
from multiprocessing import Pool import time, os, random print('main_process pid: %d' % os.getpid()) def run(): time.sleep(random.random()) # random.random() 随机生成一个小于 1 的浮点数 print('%d process was runing' % os.getpid()) p = Pool(3) for i in range(4): p.apply(run, args=()) p.close() print('waiting for sub_process') while True: # 获取 Pool 中剩余的进程数量 count = len(p._cache) if count != 0: print('there was %d sub_process' % count) time.sleep(random.random()) else: break print('sub_process has done') # 结果为 main_process pid: 4295 4297 process was runing 4296 process was runing 4298 process was runing 4297 process was runing wating for sub_process sub_process has done异步（apply_async)
示例：from multiprocessing import Pool import time, os, random print('main_process pid: %d' % os.getpid()) def run(): # random.random() 随机生成一个小于 1 的浮点数 time.sleep(random.random()) print('%d process was runing' % os.getpid()) p = Pool(3) for i in range(4): p.apply_async(run, args=()) p.close() while True: # 获取 Pool 中剩余的进程数量 count = len(p._cache) if count != 0: print('there was %d sub_process' % count) time.sleep(random.random()) else: break print('wiating for sub_process..') p.join() print('sub_process has done') # 结果为 main_process pid: 4342 wiating for sub_process.. there was 4 sub_process 4344 process was runing there was 3 sub_process 4345 process was runing 4344 process was runing 4343 process was runing sub_process has done
优缺点
fork()是计算机最底层的进程实现方式，一个fork()方法创建出来的进程有两个：主进程、子进程。fork()创建出来的进程，主进程不会等待子进程。multiprocessing模块通过将fork方法封装成一个Process类，该类有一个start()方法，当调用该方法时，会自动调用run()方法，开启一个进程。并且由Process创建出来的进程，可以使用join()方法，使得主进程堵塞，被迫等待子进程。multiprocess下另一种开启进程的方式是通过Pool进程池来实现。进程池可以开启多个进程来执行多个任务，但是进程数最大不会超过系统 CPU 核数。同样的，由Pool创建出来的进程，主进程也不会等待子进程，通过join()方法可以迫使主进程等待子进程，或者使用apply()同步的方式。
进程通信
进程之间的通信可以通过队列（Queue）来进行，多个进程一部分向队列里写入数据，一部分从队列里读取数据，从而完成多进程之间的通信问题。
示例：from multiprocessing import Process, Queue import random, time, os def write(q): if not q.full(): for i in range(4): q.put(i) print('%d was writing data[%d] to queue' % (os.getpid(), i)) time.sleep(random.random()) else: print('queue is full') def read(q): # 等待队列被写入数据 time.sleep(random.random()) while True: if not q.empty(): data = q.get() print('%d was reading data{%d} from queue' % (os.getpid(), data)) else: print('queue is empty') break # 创建通信队列,进程之间,全局变量不共享 q = Queue() pw = Process(target=write, args=(q,)) pr = Process(target=read, args=(q,)) pw.start() pr.start() pw.join() pr.join() print('end') # 结果为 4640 was writing data[0] to queue 4640 was writing data[1] to queue 4640 was writing data[2] to queue 4641 was reading data{0} from queue 4641 was reading data{1} from queue 4641 was reading data{2} from queue queue is empty 4640 was writing data[3] to queue end由于进程的执行顺序问题，造成了 pr 先于 pw 执行，所以 pr 未读取到数据，pr 进程任务结束，堵塞解开，主进程继续向下运行，最后 pw 任务结束。
进程通信改良
示例：from multiprocessing import Process, Queue import random, time, os def write(q): if not q.full(): for i in range(4): q.put(i) print('%d was writing data[%d] to queue' % (os.getpid(), i)) time.sleep(random.random()) else: print('queue is full') def read(q): # 等待队列被写入数据 time.sleep(random.random()) while True: data = q.get() print('%d was reading data{%d} from queue' % (os.getpid(), data)) # 创建通信队列,进程之间,没有全局变量共享之说 q = Queue() pw = Process(target=write, args=(q,)) pr = Process(target=read, args=(q,)) pw.start() pr.start() pw.join() # pr 进程立刻结束 pr.terminate() print('end') # 结果为 12898 was writing data[0] to queue 12898 was writing data[1] to queue 12898 was writing data[2] to queue 12899 was reading data{0} from queue 12899 was reading data{1} from queue 12899 was reading data{2} from queue 12898 was writing data[3] to queue 12899 was reading data{3} from queue end
- 概念
线程
- 概念
线程是进程下的一部分，进程下负责执行代码程序的就是线程，一个进程下会有很多个线程。同样的，一个主线程下面也有很多子线程。另外，Python 中的线程依据的是 Java 中的线程模型，如果有兴趣的同学可以研究一下。
实现方式
示例：
import threading, time def run(): time.sleep(1) # currentThread() 返回的是当前的线程对象信息 print('%s was runing' % threading.currentThread()) print('current thread\'name: %s' % threading.currentThread().getName()) # 创建一个线程 t = threading.Thread(target=run, args=()) # 启动线程 t.start() # get_ident 返回的是当前线程对象所在的内存地址（id）,该地址是唯一可以验证线程的数据 # 也可使用 currentThread().getName() 来简单的区分线程 print('current thread\'name: %s' % threading.currentThread().getName()) print('main_thread tid: %s' % threading.get_ident()) # 结果为 current thread'name: MainThread main_thread tid: 140427132020480 <Thread(Thread-1, started 140427100555008)> was runing current thread'name: Thread-1线程通信
通信队列
通信队列作为相对来说最为安全的线程通信手段，其中Queue模块自身拥有所有所需的锁，这使得通信队列中的对象可以安全的在多线程之间共享。这里用常见的「生产者-消费者模型」来介绍。
示例：
import threading, queue, time, random flag = object() def producter(q): for i in range(4): q.put(i) print('%s put data{%d} in queue' % (threading.currentThread().getName(), i)) time.sleep(random.random()) q.put(flag) def consumer(q): time.sleep(random.random()) while True: res = q.get() if res == flag: q.put(flag) break else: print('%s get data{%d} from queue' % (threading.currentThread().getName(), res)) # 创建队列 q = queue.Queue() # 创建线程 pro = threading.Thread(target=producter, args=(q,)) con = threading.Thread(target=consumer, args=(q,)) pro.start() con.start() # 结果为 Thread-1 put data{0} in queue Thread-1 put data{1} in queue Thread-2 get data{0} from queue Thread-2 get data{1} from queue Thread-1 put data{2} in queue Thread-2 get data{2} from queue Thread-1 put data{3} in queue Thread-2 get data{3} from queue end这里有一个细节。在多线程下，当生产者任务完成之后，向队列
Queue里添加了一个特殊对象（终止信号）flag，这样当消费者从Queue中取出任务时，当取到flag时，意味着所有任务被取出，并再次将flag添加至Queue中，这样其他线程中的消费者在接收到这个终止信号后，也会得知当前生产者任务已经全部发布。轮询
通过为数据操作添加while循环判断，迫使线程被迫等待操作。（为了优化等待时间，应在最核心的位置添加判断条件）示例：
import threading class NewThread(threading.Thread): flag = 0 g_num = 0 def __init__(self): super().__init__() def run(self): print('%s was runing' % threading.currentThread().getName()) if self.name == 'Thread-1': self.add_num() NewThread.flag = 1 else: # 轮询 # Thread-2 被迫等待 Thread-1 完成任务之后才能执行 while True: if NewThread.flag: self.add_num() break @classmethod def add_num(cls): global g_num for i in range(1000000): cls.g_num += 1 print('on the %s, g_num: %d' % (threading.currentThread().getName(), cls.g_num)) t1 = NewThread() t2 = NewThread() t1.start() t2.start() # 结果为 Thread-1 was runing Thread-2 was runing on the Thread-1, g_num: 1000000 on the Thread-2, g_num: 2000000- 互斥锁
互斥锁是专门为了针对线程安全而设计的一种结构，锁可以强制线程排序，保护线程安全，但是加锁、解锁会消耗系统 CPU 资源。 互斥锁优化
示例：
import threading class NewThread(threading.Thread): g_num = 0 # 生成锁对象 lock = threading.Lock() def __init__(self): super().__init__() def run(self): # 判断当前线程是否上锁，若未上锁，则一直尝试上锁（acquire）直至成功 with NewThread.lock: print('%s was runing' % self.name) self.add_num() @classmethod def add_num(cls): for i in range(1000000): cls.g_num += 1 print('on the %s g_num: %d' % (threading.currentThread().getName(), cls.g_num)) t1 = NewThread() t2 = NewThread() t1.start() t2.start() # 结果为 Thread-1 was runing on the Thread-1 g_num: 1000000 Thread-2 was runing on the Thread-2 g_num: 2000000- 死锁问题
当多线程下出现多个锁，判断条件又是另一个线程里的锁时，就会出现一种情况：当另一个线程任务执行时间过长，或是线程结束，未解锁。当前线程由于迟迟无法上锁，程序始终阻塞，此时就会陷入死锁问题。 死锁问题解决
- 设置超时时间
threading.Lock().acquire(timeout=3)只要在上锁时设置超时时间timeout=，只要超过时间，线程就会不再等待是否解锁，而是直接运行。但是这种方式很危险，可能会带来大量的等待时间。 - 为每个锁添加一个特殊编号，多线程在获取锁的时候严格按照该编号的升序方式来获取，相当于为线程排序，这样就避免了多线程因为资源争抢，而陷入死锁的可能。
- 银行家算法
- 设置超时时间
- 概念
进程与线程的区别
- 线程和进程的执行顺序都是一样的，都是由操作系统的调度算法决定，不是根据程序的编写顺序来决定。
- 进程是资源分配的单位，而线程是 CPU 调度的单位。
- 进程在主程序结束后，程序立马结束,需要手动利用
join()方法使得主程序发生堵塞，来等待子进程。而主线程的任务结束后，程序会等待子线程结束才会结束。故不需要特意使用join()方法来使主线程等待子线程。 - 多进程适合 CPU 密集型，多线程适合 I/O 密集型。
协程
- 概念
线程下的一种，也叫微线程，单线程自身控制切换任务时机，达到多任务的效果。避免了由于系统在处理多进程或者多线程时，切换任务时需要的等待时间。这一点很像操作系统里的中断。 实现方式
生成器（yield）
生成器相关内容可看问题 13。这里以一个简单的「生产者-消费者模型」来解释如何使用生成器实现协程。
示例：
import threading def producter(c): next(c) n = 4 print('%s was running' % threading.currentThread().getName()) while n: print('product data: %d' % n) res = c.send(n) print(res) n -= 1 print('sale out') def consumer(): res = '' print('%s was running' % threading.currentThread().getName()) while True: n = yield res print('consume data: %d' % n) res = '200 OK' print('%s was running' % threading.currentThread().getName()) c = consumer() producter(c) # 结果为 MainThread was running MainThread was running MainThread was running product data: 4 consume data: 4 200 OK product data: 3 consume data: 3 200 OK product data: 2 consume data: 2 200 OK product data: 1 consume data: 1 200 OK sale out可以看到，生产者事先不知道消费者具体要消费多少数据，生产者只是一直在生产。而消费者则是利用生成器的中断特性，
consumer函数中，程序每一次循环遇到yield关键字就会停下，等待producter函数启动生成器，再继续下一次循环。在这中间只有一个线程在运行，任务的切换时机由程序员自己控制，避免了由于多线程之间的切换消耗，这样就简单实现了协程。
- 异步 I/O（asyncio）
由于生成器在未来的 Python 3.10 版本中将不在支持协程，而是推荐使用asyncio库，该库适用于高并发。自己目前不会，就不瞎 BB 了，具体可看文档。
- 概念
未写完，下次更新补上
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