多任务编程

意义：充分利用计算机的资源提高程序的运行效率

定义：通过应用程序利用计算机多个核心，达到同时执行多个任务的目的

实施方案： 多进程、多线程

并行：多个计算机核心并行的同时处理多个任务

并发：内核在多个任务间不断切换，达到好像内核在同时处理多个任务的运行效果

进程：程序在计算机中运行一次的过程

程序：是一个可执行文件，是静态的，占有磁盘，不占有计算机运行资源

进程：进程是一个动态的过程描述，占有CPU内存等计算机资源的，有一定的生命周期

* 同一个程序的不同执行过程是不同的进程，因为分配的计算机资源等均不同

父子进程 : 系统中每一个进程(除了系统初始化进程)都有唯一的父进程,可以有0个或多个子进

程。父子进程关系便于进程管理。

进程

CPU时间片：如果一个进程在某个时间点被计算机分配了内核，我们称为该进程在CPU时间片上。

PCB(进程控制块)：存放进程消息的空间

进程ID(PID)：进程在操作系统中的唯一编号，由系统自动分配

进程信息包括：进程PID，进程占有的内存位置，创建时间，创建用户. . . . . . . .  

进程特征：

1. 进程是操作系统分配计算机资源的最小单位
2. 每一个进程都有自己单独的虚拟内存空间
3. 进程间的执行相互独立，互不影响

进程的状态

1、三态

• 就绪态：进程具备执行条件，等待系统分配CPU
• 运行态：进程占有CPU处理器，处于运行状态
• 等待态：进程暂时不具备运行条件，需要阻塞等待，让出CPU

2、五态（增加新建态和终止态）

• 新建态：创建一个新的进程，获取资源的过程
• 终止态：进程结束释放资源的过程

查看进程树：　　　pstree

查看父进程PID：　 ps -ajx

linux查看进程命令：　　ps -aux

有一列为STAT为进程的状态

　　D 等待态 （不可中断等待）（阻塞）

　　S 等待态 （可中断等待）（睡眠）

　　T 等待态 （暂停状态）

　　R 运行态 （就绪态运行态）

　　Z 僵尸态

　　+ 前台进程（能在终端显示出现象的）

　　< 高优先级

　　N 低优先级

　　l 有多线程的

　　s 会话组组长

 

os.fork创建进程

pid = os.fork()　

功能：创建一个子进程

返回值：创建成功在原有的进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0；创建失败返回一个负数

父子进程通常会根据fork返回值的差异选择执行不同的代码（使用if结构）

import  os from time import sleeppid = os.fork()if pid < 0:    print("创建进程失败")#子进程执行部分elif pid == 0:    print("新进程创建成功")#父进程执行部分else:    sleep(1)    print("原来的进程")print("程序执行完毕")# 新进程创建成功# 原来的进程# 程序执行完毕

• 子进程会复制父进程全部代码段(包括fork前的代码)但是子进程仅从fork的下一句开始执行
• 父进程不一定先执行(进程之间相互独立，互不影响)
• 父子进程各有自己的属性特征，比如：PID号PCB内存空间
• 父进程fork之前开辟的空间子进程同样拥有，但是进程之间相互独立，互不影响．

父子进程的变量域

import os from time import sleep a = 1pid = os.fork()if pid < 0:    print("创建进程失败")elif pid == 0:    print("子进程")    print("a = ",a)    a = 10000    print("a = ",a)else:    sleep(1)    print("父进程")    print("parent a :",a)    # a = 1# 子进程# a =  1# a =  10000# 父进程# parent a : 1

进程ID和退出函数

os.getpid() 获取当前进程的PID号

　　返回值：返回PID号

os.getppid() 获取父类进程的进程号

　　返回值：返回PID号

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

os._exit(status)  退出进程

　　参数：进程的退出状态　　整数

sys.exit([status])  退出进程

　　参数：默认为0　　整数则表示退出状态；符串则表示退出时打印内容

　　sys.exit([status])可以通过捕获SystemExit异常阻止退出

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

孤儿和僵尸

孤儿进程

父进程先于子进程退出，此时子进程就会变成孤儿进程

　　孤儿进程会被系统指定的进程收养，即系统进程会成为该孤儿进程新的父进程。孤儿进程退出时该父进程会处理退出状态

僵尸进程

子进程先与父进程退出，父进程没有处理子进程退出状态，此时子进程成为僵尸进程

　　僵尸进程已经结束，但是会滞留部分PCB信息在内存，大量的僵尸会消耗系统资源，应该尽量避免

如何避免僵尸进程的产生

父进程处理子进程退出状态

pid, status = os.wait()

功能：在父进程中阻塞等待处理子进程的退出

返回值：　pid     退出的子进程的PID号

　　　　　status 　　子进程的退出状态

import os, syspid = 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()     # 阻塞等待子进程退出  print("pid : ", pid)        # pid :  27248  # 还原退出状态  print("status:", os.WEXITSTATUS(status))      # status: 1  while True:    pass

创建二级子进程

1. 父进程创建子进程等待子进程退出
2. 子进程创建二级子进程，然后马上退出
3. 二级子进程成为孤儿，处理具体事件

import osfrom time import sleepdef 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:          # 子进程    pid0 = os.fork()    # 创建二级进程    if pid0 < 0:        print("创建二级进程失败")    elif pid0 == 0:     # 二级子进程        fun2()          # 做第二件事    else:               # 二级进程        os._exit(0)     # 二级进程退出else:    os.wait()    fun1()              # 做第一件事# 第一件事情# 第二件事情

通过信号处理子进程退出

原理: 子进程退出时会发送信号给父进程,如果父进程忽略子进程信号, 则系统就会自动处理子进程退出。

方法: 使用signal模块在父进程创建子进程前写如下语句 :

import signal

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

特点 : 非阻塞,不会影响父进程运行。可以处理所有子进程退出

Multiprocessing创建进程

步骤：

1. 需要将要做的事情封装成函数
2. multiprocessing.Process创建进程，并绑定函数
3. start启动进程
4. join回收进程 

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

创建进程对象

参数：

• target ： 要绑定的函数名
• name ： 给进程起的名称 （默认Process-1）
• args： 元组 用来给target函数传参
• kwargs : 字典 用来给target函数键值传参

p.start()

功能 ： 启动进程 自动运行terget绑定函数。此时进程被创建

p.join([timeout])

功能： 阻塞等待子进程退出，最后回收进程

参数： 超时时间

multiprocessing的注意事项：

• • 使用multiprocessing创建进程子进程同样复制父进程的全部内存空间，之后有自己独立的空间，执行上互不干扰
  • 如果不使用join回收可能会产生僵尸进程
  • 一般父进程功能就是创建子进程回收子进程，所有事件交给子进程完成
  • multiprocessing创建的子进程无法使用ptint

import multiprocessing as mp from time import sleep import osa = 1def fun():    sleep(2)    print("子进程事件",os.getpid())    global a    a = 10000    print("a = ",a)p = mp.Process(target = fun)    # 创建进程对象p.start()   # 启动进程sleep(3)print("这是父进程")p.join()    # 回收进程print("parent a:",a)# 子进程事件 5434# a =  10000# 这是父进程# parent a: 1Process(target)

multiprocessing进程属性

p.name 　　    进程名称

p.pid 　　　　对应子进程的PID号

p.is_alive() 　  查看子进程是否在生命周期

p.daemon         设置父子进程的退出关系

　　如果等于True则子进程会随父进程的退出而结束，就不用使用 join()，必须要求在start()前设置

进程池

引言：如果有大量的任务需要多进程完成，而任务周期又比较短且需要频繁创建。此时可能产生大量进程频繁创建销毁的情况，消耗计算机资源较大，这个时候就需要进程池技术

进程池的原理：创建一定数量的进程来处理事件,事件处理完进程不退出而是继续处理其他事件,直到所有事件全都处理完毕统一销毁。增加进程的重复利用,降低资源消耗。 

１．创建进程池，在池内放入适当数量的进程

from multiprocessing import Pool

Pool(processes)　　创建进程池对象

• 参数：进程数量
• 返回 ： 指定进程数量，默认根据系统自动判定 

２．将事件封装函数，放入到进程池

pool.apply_async(fun,args,kwds)　　将事件放入进程池执行

参数：

• fun 要执行的事件函数
• args 以元组为fun传参
• kwds 以字典为fun传参

返回值 ： 

• 返回一个事件对象 通过get()属性函数可以获取fun的返回值 

３．关闭进程池

 pool.close()　　关闭进程池，无法再加入事件

４．回收进程

pool.join()　　回收进程池 

from multiprocessing import Poolfrom time import sleep,ctimepool = Pool(4)    # 创建进程池# 进程池事件def worker(msg):  sleep(2)  print(msg)  return ctime()# 向进程池添加执行事件for i in range(4):  msg = "Hello %d"%i  # r 代表func事件的一个对象  r = pool.apply_async(func=worker,args=(msg,))pool.close()    # 关闭进程池pool.join()     # 回收进程池# Hello 3# Hello 2# Hello 0# Hello 1

进程间通信(IPC)

由于进程间空间独立，资源无法共享，此时在进程间通信就需要专门的通信方法。

进程间通信方法 ： 管道 消息队列 共享内存 信号信号量 套接字

管道通信(Pipe)

通信原理：在内存中开辟管道空间，生成管道操作对象，多个进程使用同一个管道对象进行读写即可实现通信　

from　multiprocessing import Pipe

fd1, fd2 = Pipe(duplex = True)

• 功能：创建管道
• 参数：默认表示双向管道，如果为False 表示单向管道
• 返回值：表示管道两端的读写对象；如果是双向管道均可读写；如果是单向管道fd1只读 fd2只写

fd.recv()

• 功能 : 从管道获取内容
• 返回值:获取到的数据，当管道为空则阻塞

fd.send(data)

• 功能: 向管道写入内容
• 参数: 要写入的数据 

注意：

1. multiprocessing中管道通信只能用于父子关系进程中 
2. 管道对象在父进程中创建，子进程通过父进程获取 

from multiprocessing import Pipe, Processfd1, fd2 = Pipe()   # 创建管道，默认双向管道def fun1():  data = fd1.recv()     # 从管道获取消息  print("管道２传给管道１的数据", data)  inpu = "跟你说句悄悄话"  fd1.send(inpu)def fun2():  fd2.send("肥水不流外人天")  data = fd2.recv()  print("管道１传给管道２的数据", data)p1 = Process(target=fun1)P2 = Process(target=fun2)p1.start()P2.start()p1.join()P2.join()# 管道２传给管道１的数据 肥水不流外人天# 管道１传给管道２的数据 跟你说句悄悄话

消息队列

从内存中开辟队列结构空间，多个进程可以向队列投放消息，在取出来的时候按照先进先出顺序取出 

q = Queue(maxsize = 0)　　

创建队列对象

• maxsize ：默认表示系统自动分配队列空间；如果传入正整数则表示最多存放多少条消息
• 返回值 ： 队列对象

q.put(data,[block,timeout])　　

向队列中存入消息

• data：存放消息（python数据类型）
• block：默认为True表示当前队列满的时候阻塞，设置为False则表示非阻塞
• timeout：当block为True表示超时时间

　　返回值：返回获取的消息

q.get([block,timeout])

从队列取出消息

• 参数:block 设置是否阻塞 False为非阻塞；timeout 超时检测
• 返回值: 返回获取到的内容

q.full()　　判断队列是否为满

q.empty()　　判断队列是否为空

q.qsize()　　判断当前队列有多少消息 

q.close()　　关闭队列

from multiprocessing import Process, Queuefrom time import sleepfrom random import randint#  创建消息队列q = Queue(3)# 请求进程def request():  for i in range(2):    x = randint(0, 100)    y = randint(0, 100)    q.put((x, y))# 处理进程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

共享内存 

在内存中开辟一段空间，存储数据，对多个进程可见，每次写入共享内存中的数据会覆盖之前的内容，效率高，速度快

from multiprocessing import Value, Array

obj = Value(ctype,obj)

功能：开辟共享内存空间 

参数：ctype　　字符串　　要转变的c的数据类型，对比类型对照表

　　obj　　共享内存的初始化数据

返回：共享内存对象

from multiprocessing import Process,Valueimport timefrom random import randint# 创建共享内存money = Value('i', 5000)#  修改共享内存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("一月余额:", money.value)   # 获取共享内存值# 一月余额: 4264

obj = Array(ctype,obj)

功能：开辟共享内存

参数：ctype　　要转化的c的类型

　　obj　　要存入共享的数据

　　　　如果是列表　　将列表存入共享内存，要求数据类型一致

　　　　如果是正整数　　表示开辟几个数据空间

from multiprocessing import Process, Array# 创建共享内存# shm = Array('i',[1,2,3])# shm = Array('i',3)  # 表示开辟三个空间的列表shm = Array('c',b"hello") #字节串def fun():  # 共享内存对象可迭代  for i in shm:    print(i)  shm[0] = b'H'p = Process(target=fun)p.start()p.join()for i in shm:   # 子进程修改，父进程中也跟着修改  print(i)print(shm.value) # 打印字节串　b'Hello'

信号量(信号灯集)

通信原理：给定一个数量对多个进程可见。多个进程都可以操作该数量增减,并根据数量值决定自己的行为。

from multiprocessing import Semaphore

sem = Semaphore(num)

创建信号量对象

• 参数 : 信号量的初始值
• 返回值 : 信号量对象

sem.acquire() 将信号量减1 当信号量为0时阻塞

sem.release() 将信号量加1

sem.get_value() 获取信号量数量

from multiprocessing import Process, Semaphoresem = Semaphore(3)    # 创建信号量，最多允许３个任务同时执行def rnewu():  sem.acquire()   # 每执行一次减少一个信号量  print("执行任务.....执行完成")  sem.release()   # 执行完成后增加信号量for i in range(3):  # 有３个人想要执行任务  p = Process(target=rnewu)  p.start()  p.join()