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python 并发编程

2018-12-03 10:17:48   1  举报

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AI智能生成

python并发编程,线程相关内容.

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大纲/内容

操作系统

为什么要有操作系统

程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并且加以优化使用是非常繁琐的工作，这个繁琐的工作就是操作系统来干的，                                                    有了他，程序员就从这些繁琐的工作中解脱了出来，只需要考虑自己的应用软件的编写就可以了，应用软件直接使用操作系统提供的功能来间接使用硬件。

什么是操作系统

精简的说的话，操作系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序

操作系统所处的位置如图1

细说的话，操作系统应该分成两部分功能：

一:   隐藏了丑陋的硬件调用接口（键盘、鼠标、音箱等等怎么实现的，就不需要你管了），为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可。

二：将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化

操作系统与普通软件的区别

1.主要区别是：你不想用暴风影音了你可以选择用迅雷播放器或者干脆自己写一个，但是你无法写一个属于操作系统一部分的程序（时钟中断处理程序），操作系统由硬件保护，不能被用户修改。

2.操作系统与用户程序的差异并不在于二者所处的地位。特别地，操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件，

操作系统发展史

第一代（1940~1955）手工操作----穿孔卡片

第二代（1955~1965）磁带存储---批处理系统

第三代（1955~1965）多道程序系统（多道是重点*****）

操作系统原理-内容包含

操作系统的资源管理技术

系统调用

操作系统内核

处理器状态：内核态和用户态

中断（Interupt）

进程

处理器调度

进程的交互

临界区管理

信号量(samaphore)和PV操作

管程

死锁

可变分区存储管理

分页存储管理

分段存储管理

虚拟存储管理

请求段页式虚拟内存管理

I/O硬件原理：I/O控制方式

I/O软件原理

缓冲技术

设备独立性

虚拟设备

文件逻辑结构

文件物理结构

进程Process

背景知识

顾名思义，进程即正在执行的一个过程。进程是对正在运行程序的一个抽象。 　　进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念，也是操作系统提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。操作系统的其他所有内容都是围绕进程的概念展开的。

必备的理论基础：

事先了解操作系统

1：隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口 2：管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

多道技术

1.产生背景：针对单核，实现并发 ps： 现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术 有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到io阻塞，会等到io结束再重新调度，会被调度到4个 cpu中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。 2.空间上的复用：如内存中同时有多道程序 3.时间上的复用：复用一个cpu的时间片 强调：遇到io切，占用cpu时间过长也切，核心在于切之前将进程的状态保存下来，这样 才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行 复制代码

什么是进程

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

狭义定义

进程是正在运行的程序的实例（an instance of a computer program that is being executed）。

广义定义

进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

举例：

比如py1文件中有个变量a=1，py2文件中有个变量a=2，他们两个会冲突吗？不会的，是不是，因为两个文件运行起来后是两个进程，操作系统让他们在内存上隔离开，对吧。

进程的特征

动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位； 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进 结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。 多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

进程与程序的区别

程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。 而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。 程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。 程序是永久的，进程是暂时的。 举例：就像qq一样，qq是我们安装在自己电脑上的客户端程序，其实就是一堆的代码文件，我们不运行qq，那么他就是一堆代码程序，当我们运行qq的时候，这些代码运行起来，就成为一个进程了。

注意:

同一个程序执行两次，就会在操作系统中出现两个进程，所以我们可以同时运行一个软件，分别做不同的事情也不会混乱。比如打开暴风影音，虽然都是同一个软件，但是一个可以播放苍井空，一个可以播放小泽玛利亚。

进程调度

先来先服务调度算法

短作业优先调度算法

时间片轮转法

多级反馈队列

并发与并行

并发

并发：是伪并行，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发，（并行也属于并发）

单cpu，多进程并发举例

你是一个cpu，你同时谈了三个女朋友，每一个都可以是一个恋爱任务，你被这三个任务共享要玩出并发恋爱的效果， 应该是你先跟女友1去看电影，看了一会说：不好，我要拉肚子，然后跑去跟第二个女友吃饭，吃了一会说：那啥，我去趟洗手间，然后跑去跟女友3开了个房，然后在你的基友眼里，你就在和三个女友同时在一起玩。

并行

并行：同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行

多个cpu、多进程并行举例

将多个cpu必须成高速公路上的多个车道，进程就好比每个车道上行驶的车辆，并行就是说，大家在自己的车道上行驶，会不影响，同时在开车。这就是并行

总结

通过进程之间的调度，也就是进程之间的切换，我们用户感知到的好像是两个视频文件同时在播放，或者音乐和游戏同时在进行，那就让我们来看一下什么叫做并发和并行 无论是并行还是并发，在用户看来都是'同时'运行的，不管是进程还是线程，都只是一个任务而已，真是干活的是cpu，cpu来做这些任务，而一个cpu同一时刻只能执行一个任务

单核下，可以利用多道技术，多个核，每个核也都可以利用多道技术（多道技术是针对单核而言的） 　　有四个核，六个任务，这样同一时间有四个任务被执行，假设分别被分配给了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4， 　　一旦任务1遇到I/O就被迫中断执行，此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行，这就是单核下的多道技术 　　而一旦任务1的I/O结束了，操作系统会重新调用它(需知进程的调度、分配给哪个cpu运行，由操作系统说了算)，可能被分配给四个cpu中的任意一个去执行      所有现代计算机经常会在同一时间做很多件事，一个用户的PC（无论是单cpu还是多cpu），都可以同时运行多个任务（一个任务可以理解为一个进程）。

进程三状态

就绪状态

当进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可立即执行，这时的进程状态称为就绪状态。

执行运行状态

执行/运行（Running）状态当进程已获得处理机，其程序正在处理机上执行，此时的进程状态称为执行状态。

阻塞状态

阻塞(Blocked)状态正在执行的进程，由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待I/O完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。 　　　　事件请求：input、sleep、文件输入输出、recv、accept等 　　　　事件发生：sleep、input等完成了 　　　　时间片到了之后有回到就绪状态，这三个状态不断的在转换。

同步

所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。其实就是一个程序结束才执行另外一个程序，串行的，不一定两个程序就有依赖关系。

异步

所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。

同步异步举例

比如我们去楼下的老家肉饼吃饭，饭点好了，取餐的时候发生了一些同步异步的事情。 同步：我们都站在队里等着取餐，前面有个人点了一份肉饼，后厨做了很久，但是由于同步机制，我们还是要站在队里等着前面那个人的肉饼做好取走，我们才往前走一步。 异步：我们点完餐之后，点餐员给了我们一个取餐号码，跟你说，你不用在这里排队等着，去找个地方坐着玩手机去吧，等饭做好了，我叫你。这种机制(等待别人通知)就是异步等待消息通知。在异步消息处理中，等待消息通知者(在这个例子中等着取餐的你)往往注册一个回调机制，在所等待的事件被触发时由触发机制(点餐员)通过某种机制(喊号，‘250号你的包子好了‘)找到等待该事件的人。

阻塞非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的

继续上面的那个例子，不论是排队还是使用号码等待通知，如果在这个等待的过程中，等待者除了等待消息通知之外不能做其它的事情，那么该机制就是阻塞的，表现在程序中,也就是该程序一直阻塞在该函数调用处不能继续往下执行。 相反，有的人喜欢在等待取餐的时候一边打游戏一边等待，这样的状态就是非阻塞的，因为他(等待者)没有阻塞在这个消息通知上，而是一边做自己的事情一边等待。阻塞的方法：input、time.sleep，socket中的recv、accept等等。

.同步/异步与阻塞和非阻塞

同步阻塞形式

效率最低。拿上面的例子来说，就是你专心排队，什么别的事都不做。

异步阻塞形式

如果在排队取餐的人采用的是异步的方式去等待消息被触发（通知），也就是领了一张小纸条，假如在这段时间里他不能做其它的事情，就在那坐着等着，不能玩游戏等，那么很显然，这个人被阻塞在了这个等待的操作上面； <h3>　　　　异步操作是可以被阻塞住的，只不过它不是在处理消息时阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞。</h3>

同步非阻塞形式

实际上是效率低下的。 　　　　想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有，如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话，这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的。

异步非阻塞形式

效率更高， 　　　　因为打电话是你(等待者)的事情，而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情，程序没有在两种不同的操作中来回切换。 　　　　比如说，这个人突然发觉自己烟瘾犯了，需要出去抽根烟，于是他告诉点餐员说，排到我这个号码的时候麻烦到外面通知我一下，那么他就没有被阻塞在这个等待的操作上面，自然这个就是异步+非阻塞的方式了。 　　很多人会把同步和阻塞混淆，是因为很多时候同步操作会以阻塞的形式表现出来，同样的，很多人也会把异步和非阻塞混淆，因为异步操作一般都不会在真正的IO操作处被阻塞。

进程的创建、结束与并发的实现

进程的创建

凡是硬件，都需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要有创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计，比如微波炉中的控制器，一旦启动微波炉，所有的进程都已经存在。

第一种创建进程的方式代码实现()

import time import os from multiprocessing import Process                                                                                        def func1():     time.sleep(2)     print('我是func1') def func2():     time.sleep(3)     print('我是func2')     print('子进程的pid',os.getpid()) #查看当前进程的id     print('子进程的父进程>>>',os.getppid()) #查看父进程的id if __name__ == '__main__':     print('主进程的pid',os.getpid())     print('当前主进程的父进程>>>',os.getppid())     start_time = time.time()     p = Process(target=func2,)     p.start() #告诉操作系统,我这边准备好了,你帮我创建并执行这个进程    func1()    end_time = time.time()     dif_time = end_time - start_time     print('>>>>',dif_time)     p.join() # func1() # func2()

第二种创建进程的方式代码实现()

#第二种创建方式 class MyProess(Process):     def __init__(self,n):         super().__init__()         self.n = n     def run1(self):         time.sleep(2)         print(self.n) # def run(self): # time.sleep(2) # print(self.n) # print('aaaaa') if __name__ == '__main__':     p = MyProess(10) #     p.start() # print('主进程结束')

进程的结束

1. 正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess） 　2. 出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）    3. 严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...） 　4. 被其他进程杀死（非自愿，如kill -9）

进程并发的实现

进程并发的实现在于，硬件中断一个正在运行的进程，把此时进程运行的所有状态保存下来，为此，操作系统维护一张表格，即进程表（process table），每个进程占用一个进程表项（这些表项也称为进程控制块） 该表存放了进程状态的重要信息：程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所有打开文件的状态、帐号和调度信息，以及其他在进程由运行态转为就绪态或阻塞态时，必须保存的信息，从而保证该进程在再次启动时，就像从未被中断过一样。

python中进程的应用实战

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