Python编程之多进程multiprocessing详解

       Python中的multiprocessing模块提供了一种创建和管理进程的方式，使得可以利用多个CPU来加速程序运行。在这里，我会详细介绍Python中的多进程编程，包括以下内容：

　　一.多进程概念

　　二.multiprocessing模块介绍

　　三.进程池

　　四.进程通信

　　五.multiprocessing的一些注意事项

　　一.多进程概念

　　多进程是指在同一时间内，同时执行多个程序或多个部分的程序。每个进程都拥有自己的地址空间、内存、文件描述符和其他系统资源。多进程的好处在于可以使程序并行执行，从而提高程序的运行效率。

　　二.multiprocessing模块介绍

　　multiprocessing模块提供了一个Process类，可以用来创建和管理进程。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
 
def worker():
    """该函数将在子进程中执行"""
    print('Worker')
 
if __name__ == '__main__':
    # 创建子进程
    p = multiprocessing.Process(target=worker)
    # 启动子进程
    p.start()
    # 等待子进程结束
    p.join()
'
运行
运行

　　在上面的代码中，worker函数将在子进程中执行。首先，创建了一个Process对象，指定target参数为worker函数。然后，通过调用start方法启动子进程，最后调用join方法等待子进程结束。

　　三. 进程池

　　如果需要创建大量的进程，那么使用Process类可能会导致系统资源的浪费。此时，可以使用Pool类来创建进程池。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
 
def worker(num):
    """该函数将在子进程中执行"""
    print('Worker %d' % num)
 
if __name__ == '__main__':
    # 创建进程池
    pool = multiprocessing.Pool(4)
    # 启动进程池中的进程
    pool.map(worker, range(10))
    # 关闭进程池
    pool.close()
    # 等待进程池中的进程结束
    pool.join()
'
运行
运行

　　在上面的代码中，Pool类的构造函数中指定了进程池的大小为4，然后通过调用map方法来启动进程池中的进程。map方法会将worker函数和range(10)序列中的每个元素一一对应，然后将它们作为参数传递给进程池中的进程。最后，调用close方法关闭进程池，并调用join方法等待所有进程结束。

　　四. 进程通信

　　在多进程编程中，不同的进程之间需要进行通信。multiprocessing模块提供了多种进程间通信的方式，例如使用队列、管道、共享内存等。

　　(1)队列

　　队列是一种常用的进程间通信方式。multiprocessing模块中提供了Queue类，可以用来创建队列。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
 
def producer(q):
    """该函数将在生产者进程中执行"""
    for i in range(10):
        q.put(i)
 
def consumer(q):
    """该函数将在消费者进程中执行"""
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:
            break
        print(item)
 
if __name__ == '__main__':
    # 创建队列
    q = multiprocessing.Queue()
    # 创建生产者进程
    p1 = multiprocessing.Process(target=producer, args=(q,))
    # 创建消费者进程
    p2 = multiprocessing.Process(target=consumer, args=(q,))
    # 启动进程
    p1.start()
    p2.start()
    # 等待进程结束
    p1.join()
    # 发送结束信号
    q.put(None)
    p2.join()
'
运行
运行

　　在上面的代码中，首先创建了一个Queue对象，然后创建了一个生产者进程和一个消费者进程。生产者进程通过调用put方法将0~9的数字放入队列中，消费者进程通过调用get方法从队列中获取数据，并将其打印出来。最后，调用put方法发送结束信号，然后等待两个进程结束。

　　(2)管道

　　管道是另一种常用的进程间通信方式。multiprocessing模块中提供了Pipe类，可以用来创建管道。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
 
def producer(conn):
    """该函数将在生产者进程中执行"""
    for i in range(10):
        conn.send(i)
    conn.close()
 
def consumer(conn):
    """该函数将在消费者进程中执行"""
    while True:
        item = conn.recv()
        if item is None:
            break
        print(item)
 
if __name__ == '__main__':
    # 创建管道
    conn1, conn2 = multiprocessing.Pipe()
    # 创建生产者进程
    p1 = multiprocessing.Process(target=producer, args=(conn1,))
    # 创建消费者进程
    p2 = multiprocessing.Process(target=consumer, args=(conn2,))
    # 启动进程
    p1.start()
    p2.start()
    # 等待进程结束
    p1.join()
    # 发送结束信号
    conn1.send(None)
    p2.join()
'
运行
运行

　　在上面的代码中，首先创建了一个管道，然后创建了一个生产者进程和一个消费者进程。生产者进程通过调用send方法将0~9的数字发送到管道中，消费者进程通过调用recv方法从管道中获取数据，并将其打印出来。最后，调用send方法发送结束信号，然后等待两个进程结束。

　　(3)共享内存

　　共享内存是一种高效的进程间通信方式，它允许多个进程共享同一块内存区域。multiprocessing模块中提供了Value和Array类，可以用来创建共享内存。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
 
def worker1(n):
    """该函数将在进程1中执行"""
    n.value += 1
    print('worker1:', n.value)
 
def worker2(n):
    """该函数将在进程2中执行"""
    n.value += 1
    print('worker2:', n.value)
 
if __name__ == '__main__':
    # 创建共享内存
    n = multiprocessing.Value('i', 0)
    # 创建进程1
    p1 = multiprocessing.Process(target=worker1, args=(n,))
    # 创建进程2
    p2 = multiprocessing.Process(target=worker2, args=(n,))
    # 启动进程
    p1.start()
    p2.start()
    # 等待进程结束
    p1.join()
    p2.join()

　　在上面的代码中，首先创建了一个Value对象，用于存储一个整数值。然后创建了两个进程，每个进程都会将共享内存中的值加1，并将其打印出来。最后，等待两个进程结束。

　　除了Value类之外，multiprocessing模块还提供了Array类，用于创建共享内存数组。下面是一个简单的示例：

　　在上面的代码中，首先创建了一个Array对象，用于存储一个整数数组。然后创建了两个进程，每个进程都会将共享内存数组中的第一个元素加1，并将其打印出来。最后，等待两个进程结束。

　　五.multiprocessing的一些注意事项

　　在使用 multiprocessing 模块进行多进程编程时，需要注意以下几点：

　　1.全局变量的共享问题

　　每个子进程都有自己的内存空间，因此全局变量在多进程之间不能直接共享。如果需要共享数据，可以使用 multiprocessing.Value 或 multiprocessing.Array 来创建共享内存。

　　2.进程间通信问题

　　多个进程之间需要相互通信，可以使用 multiprocessing.Queue 或 multiprocessing.Pipe 来进行进程间通信。

　　3.进程池的使用

　　如果需要同时启动多个进程，可以使用进程池来管理进程。进程池可以避免频繁地启动和关闭进程所带来的开销，提高程序的效率。

　　4.子进程的异常处理

　　每个子进程都是一个独立的进程，当子进程出现异常时，主进程并不会收到通知。因此需要在子进程中进行异常处理，并将异常信息通过进程间通信的方式传递给主进程。

　　5.进程的启动方式

　　可以使用 multiprocessing.Process 来创建进程，也可以使用 multiprocessing.Pool 来创建进程池。进程池可以方便地管理多个进程，避免手动启动和关闭进程所带来的麻烦。