Python 中的并发 - 进程池
进程池的创建和使用方式与创建和使用线程池的方式相同。进程池可以定义为一组预先实例化的空闲进程,随时准备接受工作。当我们需要执行大量任务时,创建进程池比为每个任务实例化新进程更可取。
Python 模块 - Concurrent.futures
Python 标准库有一个名为 concurrent.futures 的模块。此模块是在 Python 3.2 中添加的,用于为开发人员提供启动异步任务的高级接口。它是 Python 线程和多处理模块顶层的抽象层,用于提供使用线程池或进程池运行任务的接口。
在后续章节中,我们将介绍 concurrent.futures 模块的不同子类。
Executor 类
Executor 是 Python 模块 concurrent.futures 的一个抽象类。它不能直接使用,我们需要使用以下具体子类之一 −
- ThreadPoolExecutor
- ProcessPoolExecutor
ProcessPoolExecutor – 一个具体子类
它是 Executor 类的一个具体子类。它使用多处理,我们得到一个用于提交任务的进程池。该池将任务分配给可用的进程并安排它们运行。
如何创建 ProcessPoolExecutor?
借助 concurrent.futures 模块及其具体子类 Executor,我们可以轻松创建一个进程池。为此,我们需要构造一个 ProcessPoolExecutor,其中包含我们想要在池中容纳的进程数量。默认情况下,该数字为 5。随后向进程池提交任务。
示例
现在我们将考虑创建线程池时使用的相同示例,唯一的区别是现在我们将使用 ProcessPoolExecutor 而不是 ThreadPoolExecutor 。
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor from time import sleep def task(message): sleep(2) return message def main(): executor = ProcessPoolExecutor(5) future = executor.submit(task, ("Completed")) print(future.done()) sleep(2) print(future.done()) print(future.result()) if __name__ == '__main__': main()
输出
False False Completed
在上面的例子中,我们构建了一个包含 5 个线程的 ProcessPoolExecutor。然后,向进程池执行器提交一个任务,该任务将在 2 秒后发出消息。从输出中可以看出,该任务在 2 秒内才完成,因此第一次调用 done() 将返回 False。2 秒后,任务完成,我们通过调用其 result() 方法获得未来的结果。
实例化 ProcessPoolExecutor – 上下文管理器
实例化 ProcessPoolExecutor 的另一种方法是借助上下文管理器。它的工作原理与上面示例中使用的方法类似。使用上下文管理器的主要优点是它在语法上看起来不错。可以借助以下代码进行实例化 −
with ProcessPoolExecutor(max_workers = 5) as executor
示例
为了更好地理解,我们采用与创建线程池时相同的示例。在此示例中,我们需要首先导入 concurrent.futures 模块。然后创建一个名为 load_url() 的函数,它将加载请求的 URL。然后使用池中的 5 个线程创建 ProcessPoolExecutor。ProcessPoolExecutor 已被用作上下文管理器。我们可以通过调用其上的 result() 方法来获取 Future 的结果。
import concurrent.futures from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor import urllib.request URLS = ['http://www.foxnews.com/', 'http://www.cnn.com/', 'http://europe.wsj.com/', 'http://www.bbc.co.uk/', 'http://some-made-up-domain.com/'] def load_url(url, timeout): with urllib.request.urlopen(url, timeout = timeout) as conn: return conn.read() def main(): with concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(max_workers=5) as executor: future_to_url = {executor.submit(load_url, url, 60): url for url in URLS} for future in concurrent.futures.as_completed(future_to_url): url = future_to_url[future] try: data = future.result() except Exception as exc: print('%r generated an exception: %s' % (url, exc)) else: print('%r page is %d bytes' % (url, len(data))) if __name__ == '__main__': main()
输出
上述 Python 脚本将生成以下输出 −
'http://some-made-up-domain.com/' generated an exception: <urlopen error [Errno 11004] getaddrinfo failed> 'http://www.foxnews.com/' page is 229476 bytes 'http://www.cnn.com/' page is 165323 bytes 'http://www.bbc.co.uk/' page is 284981 bytes 'http://europe.wsj.com/' page is 967575 bytes
Executor.map() 函数的使用
Python map() 函数被广泛用于执行许多任务。其中一项任务是将某个函数应用于可迭代对象中的每个元素。类似地,我们可以将迭代器的所有元素映射到一个函数,并将它们作为独立作业提交给 ProcessPoolExecutor。请考虑以下 Python 脚本示例以了解这一点。
示例
我们将考虑使用 Executor.map() 函数创建线程池时使用的相同示例。在下面给出的示例中,map 函数用于将 square() 函数应用于 values 数组中的每个值。
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor from concurrent.futures import as_completed values = [2,3,4,5] def square(n): return n * n def main(): with ProcessPoolExecutor(max_workers = 3) as executor: results = executor.map(square, values) for result in results: print(result) if __name__ == '__main__': main()
输出
The above Python script will generate the following output
4 9 16 25
何时使用 ProcessPoolExecutor 和 ThreadPoolExecutor?
现在我们已经研究了 Executor 类 – ThreadPoolExecutor 和 ProcessPoolExecutor,我们需要知道何时使用哪个执行器。对于 CPU 密集型工作负载,我们需要选择 ProcessPoolExecutor;对于 I/O 密集型工作负载,我们需要选择 ThreadPoolExecutor。
如果我们使用 ProcessPoolExecutor,则无需担心 GIL,因为它使用多处理。此外,与 ThreadPoolExecution 相比,执行时间会更短。请考虑以下 Python 脚本示例以了解这一点。
示例
import time import concurrent.futures value = [8000000, 7000000] def counting(n): start = time.time() while n > 0: n -= 1 return time.time() - start def main(): start = time.time() with concurrent.futures.ProcessPoolExecutor() as executor: for number, time_taken in zip(value, executor.map(counting, value)): print('Start: {} Time taken: {}'.format(number, time_taken)) print('Total time taken: {}'.format(time.time() - start)) if __name__ == '__main__': main()
输出
Start: 8000000 Time taken: 1.5509998798370361 Start: 7000000 Time taken: 1.3259999752044678 Total time taken: 2.0840001106262207 Example- Python script with ThreadPoolExecutor: import time import concurrent.futures value = [8000000, 7000000] def counting(n): start = time.time() while n > 0: n -= 1 return time.time() - start def main(): start = time.time() with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor() as executor: for number, time_taken in zip(value, executor.map(counting, value)): print('Start: {} Time taken: {}'.format(number, time_taken)) print('Total time taken: {}'.format(time.time() - start)) if __name__ == '__main__': main()
输出
Start: 8000000 Time taken: 3.8420000076293945 Start: 7000000 Time taken: 3.6010000705718994 Total time taken: 3.8480000495910645
从上面两个程序的输出中,我们可以看到使用 ProcessPoolExecutor 和 ThreadPoolExecutor 时的执行时间差异。