關(guān)于什么是并發(fā)模型，我在這里引用 Go 語(yǔ)言聯(lián)合創(chuàng)造者 Rob Pike 的一段話：

并發(fā)是指一次處理多件事。并行是指一次做多件事。二者不同，但是有聯(lián)系。一個(gè)關(guān)于結(jié)構(gòu)，一個(gè)關(guān)于執(zhí)行。并發(fā)用于制定方案，用來(lái)解決可能（但未必）并行的問(wèn)題。

在不涉及并發(fā)概念的情況下，一個(gè)單進(jìn)程單線程的程序執(zhí)行情況可能是這樣的：調(diào)用一個(gè)函數(shù)，發(fā)出調(diào)用的代碼開始等待函數(shù)執(zhí)行完成，直到函數(shù)返回結(jié)果，如果函數(shù)拋出異常，則可以把調(diào)用函數(shù)的代碼放到 try/except 語(yǔ)句塊中，來(lái)捕獲和處理異常。

但是，當(dāng)涉及到并發(fā)時(shí)，情況就沒這么簡(jiǎn)單了。在啟用多線程（或多進(jìn)程）后，你無(wú)法在一個(gè)線程（或進(jìn)程）中知道另一個(gè)線程（或進(jìn)程）被調(diào)用的函數(shù)何時(shí)執(zhí)行完成，也無(wú)法輕松得知函數(shù)調(diào)用結(jié)果或捕獲異常。只能采用某種通知的方式，來(lái)進(jìn)行線程（或進(jìn)程）間通信，這可能是一個(gè)信號(hào)，也可能是一個(gè)消息隊(duì)列等。

本文主要講解如何讓 Python 能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，即如何使用并發(fā)模型編程。

目標(biāo)

我們將要實(shí)現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)指針程序，啟動(dòng)一個(gè)程序，阻塞 3 秒鐘（模擬耗時(shí)任務(wù)），在這期間，終端展示字符動(dòng)畫，讓用戶知道程序仍在執(zhí)行，并沒有停止，3 秒后程序打印耗時(shí)任務(wù)的計(jì)算結(jié)果并退出。

實(shí)現(xiàn)好的程序效果如下：

這有點(diǎn)像下載進(jìn)度條，因?yàn)榇蛴⌒D(zhuǎn)指針和耗時(shí)任務(wù)是“同時(shí)”進(jìn)行的，這種場(chǎng)景只能通過(guò)并發(fā)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

我們將分別使用多線程、多進(jìn)程以及協(xié)程來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)程序，以此來(lái)演示 Python 的的并發(fā)模型用法。

多線程版

第一版旋轉(zhuǎn)指針程序使用 Python 多線程來(lái)編寫，首先，我們需要定義兩個(gè)函數(shù) spin、slow 分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)指針和模擬耗時(shí)任務(wù)（比如從網(wǎng)上下載一個(gè)文件）。

import itertools
import time
from threading import Thread, Event
def spin(msg: str, done: Event) -> None:
    for char in itertools.cycle(r'\|/-'):
        status = f'\r{char} {msg}'
        print(status, end='', flush=True)
        if done.wait(0.1):
            break
    blanks = ' ' * len(status)
    print(f'\r{blanks}\r', end='')
def slow() -> int:
    time.sleep(3)
    return 42

threading 模塊提供多線程支持，Thread 實(shí)例用來(lái)管理一個(gè)新的線程，Event 可以用來(lái)進(jìn)行線程間通信。

spin 函數(shù)將作為一個(gè)任務(wù)在單獨(dú)的線程中執(zhí)行，它接收兩個(gè)參數(shù) msg、done，傳遞進(jìn)來(lái)的 msg 將會(huì)跟隨旋轉(zhuǎn)指針一起被打印，done 參數(shù)類型為 threading.Event，用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程間的通信，以此來(lái)同步任務(wù)狀態(tài)。

itertools.cycle(r'\|/-') 是一個(gè)無(wú)限迭代器，一次產(chǎn)出一個(gè)字符，不停的迭代。比如用 for 遍歷 itertools.cycle('123')，將得到無(wú)限迭代的數(shù)據(jù) 123123123...。這里 \|/- 字符不停迭代并被打印，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)指針的效果。

打印的 status 字符串第一個(gè)字符為 \r，可以實(shí)現(xiàn)將光標(biāo)移動(dòng)到行首，這是一個(gè)使用文本在控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的小技巧。

接下來(lái)的 done.wait(0.1) 是這個(gè)函數(shù)的關(guān)鍵代碼，它是主線程與執(zhí)行當(dāng)前函數(shù)的子線程之間通信的橋梁。done.wait 方法簽名為 Event.wait(self, timeout=None)，該方法等待 timeout 指定的時(shí)間后返回 False，我們?cè)谶@里指定為 0.1 秒。如果在其他線程中使用 Event.set() 設(shè)置了這個(gè)事件，則當(dāng)前線程該方法將立即返回 True，此時(shí) for 循環(huán)就會(huì)被 break 掉。

spin 函數(shù)在退出前，還會(huì)打印幾個(gè)空格來(lái)實(shí)現(xiàn)清空當(dāng)前行打印內(nèi)容的效果，并且最終還將光標(biāo)移動(dòng)到行首。

slow 函數(shù)使用 time.sleep(3) 暫停 3 秒，模擬耗時(shí)操作，這個(gè)函數(shù)將像我們往常編寫的單線程代碼一樣在主線程中執(zhí)行。

接下來(lái)我們要編寫多線程代碼來(lái)分別調(diào)用 spin 和 slow 兩個(gè)函數(shù)，完成這個(gè)旋轉(zhuǎn)指針程序。

def supervisor() -> int:
    done = Event()
    spinner = Thread(target=spin, args=('thinking!', done))
    print(f'spinner object: {spinner}')
    spinner.start()
    result = slow()
    done.set()
    spinner.join()
    return result
def main() -> None:
    result = supervisor()
    print(f'Answer: {result}')
if __name__ == '__main__':
    main()

supervisor 函數(shù)中，首先實(shí)例化了一個(gè) Event 對(duì)象，用于多線程通信。

接著，又實(shí)例化了一個(gè) Thread 對(duì)象，用來(lái)管理子線程，target 參數(shù)接收一個(gè)函數(shù) spin，這個(gè)函數(shù)將在一個(gè)獨(dú)立的子線程中執(zhí)行，args 參數(shù)接收一個(gè)元組，在子線程中調(diào)用 spin 函數(shù)時(shí)，元組的各個(gè)參數(shù)將被原樣傳遞給 spin 函數(shù)。

Thread 對(duì)象必須要顯式的調(diào)用 start 方法才能啟動(dòng)，所以代碼執(zhí)行到 spinner.start() 時(shí)，子線程才會(huì)真正開始執(zhí)行。子線程只會(huì)執(zhí)行 spin 函數(shù)，至于下方的代碼與子線程無(wú)關(guān)，都是主線程要執(zhí)行的代碼。

子線程的執(zhí)行對(duì)主線程執(zhí)行不會(huì)產(chǎn)生影響，主線程代碼會(huì)繼續(xù)往下運(yùn)行，主線程調(diào)用 slow() 時(shí)會(huì)被耗時(shí)任務(wù)所阻塞。此時(shí)，子線程內(nèi)部代碼執(zhí)行不受影響，所以子線程會(huì)不停的打印旋轉(zhuǎn)指針。

等待 3 秒結(jié)束后，主線程中 slow() 函數(shù)返回結(jié)果，主線程調(diào)用 done.set() 將 Event 對(duì)象設(shè)置為 True。此時(shí)，子線程 spin 函數(shù)內(nèi)部 done.wait(0.1) 會(huì)立即返回 True，隨即 for循環(huán)終止，spin 執(zhí)行完成后子線程也就退出了。

主線程不受子線程退出影響，會(huì)接著往下執(zhí)行，調(diào)用 spinner.join() 是為了等待子線程結(jié)束，主線程會(huì)阻塞在這里，保證子線程結(jié)束后才會(huì)往下執(zhí)行。顯然，子線程在執(zhí)行完 spin 函數(shù)就結(jié)束了，所以主線程代碼會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行。

supervisor 函數(shù)最終返回 slow 方法的返回值 result。

入口函數(shù) main 打印 result 值后，主線程也退出了，程序終止。

以上，就是多線程版旋轉(zhuǎn)指針程序的全部邏輯了。

我們來(lái)測(cè)試下這個(gè)程序執(zhí)行效果：

多線程對(duì)象 spinner 輸出結(jié)果為 <Thread(Thread-1, initial)>，其中 Thread-1 是線程名稱，initial 是線程狀態(tài)，表示當(dāng)前線程剛初始化完成，尚未啟動(dòng)。

多進(jìn)程版

Python 提供了 multiprocessing 來(lái)支持多進(jìn)程，這個(gè)模塊的 API 基本模仿了多線程的 threading 模塊，所以有了前文的基礎(chǔ)，多進(jìn)程代碼也非常容易看懂。

同多線程一樣，multiprocessing 包也為多進(jìn)程通信提供了 Event 對(duì)象。不同的是，threading.Event 是一個(gè)類，multiprocessing.Event 是一個(gè)函數(shù)，它返回一個(gè) synchronize.Event 類實(shí)例。所以 spin 函數(shù)簽名需要進(jìn)行如下修改：

from multiprocessing import Process, Event
from multiprocessing import synchronize
def spin(msg: str, done: synchronize.Event) -> None:
    ...

spin 函數(shù)內(nèi)部代碼無(wú)需調(diào)整，只需要修改參數(shù) done 的類型注解即可。所以不難發(fā)現(xiàn) synchronize.Event 同樣支持 Event.wait(self, timeout=None) 方法。

多進(jìn)程版本的 supervisor 函數(shù)也要稍作修改：

def supervisor() -> int:
    done = Event()
    spinner = Process(target=spin, args=('thinking!', done))
    print(f'spinner object: {spinner}')
    spinner.start()
    result = slow()
    done.set()
    spinner.join()
    return result

雖然 multiprocessing.Event 和 threading.Event 類型不同，但二者用法和作用則完全相同。

這里使用 Process 實(shí)例化一個(gè)進(jìn)程對(duì)象，Process 用法和 Thread 用法同樣如出一轍。

只需要對(duì)代碼做少量的改動(dòng)，我們就將程序從多線程遷移到了多進(jìn)程。這一點(diǎn)，Python 做的非常友好，掌握了多線程編程，基本上就掌握了多進(jìn)程編程，我們只需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，使用不同的模塊即可。

下面是多進(jìn)程版本旋轉(zhuǎn)指針程序測(cè)試效果：

多進(jìn)程對(duì)象 spinner 輸出結(jié)果為 <Process name='Process-1' parent=94367 initial>，進(jìn)程名稱為 Process-1，parent 代表父進(jìn)程 ID 為 94367（即主進(jìn)程 ID），initial 是進(jìn)程狀態(tài)，表示當(dāng)前進(jìn)程剛初始化完成，尚未啟動(dòng)。

協(xié)程版

最后我們將使用協(xié)程實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)指針程序，這一版本代碼改動(dòng)會(huì)比較大。

Python 在 3.5 版本提供了 async、await 關(guān)鍵字（可以參考 PEP 492），開始原生支持了協(xié)程，我們不再需要編寫難懂的 yeild from 來(lái)使用生成器實(shí)現(xiàn)協(xié)程功能了。

Python 協(xié)程通常在單線程的事件循環(huán)中運(yùn)行。協(xié)程是一個(gè)可以掛起自身并在以后恢復(fù)的“函數(shù)”，async 用來(lái)定義協(xié)程，一個(gè)協(xié)程必須顯式的使用 await 關(guān)鍵字主動(dòng)讓出控制權(quán)，另一個(gè)協(xié)程才有機(jī)會(huì)在主事件循環(huán)的調(diào)度下并發(fā)的執(zhí)行。

協(xié)程版本旋轉(zhuǎn)指針程序需要對(duì) spin 和 slow 兩個(gè)函數(shù)做如下修改：

import asyncio
import itertools
async def spin(msg: str) -> None:
    for char in itertools.cycle(r'\|/-'):
        status = f'\r{char} {msg}'
        print(status, end='', flush=True)
        try:
            await asyncio.sleep(0.1)
        except asyncio.CancelledError:
            break
    blanks = ' ' * len(status)
    print(f'\r{blanks}\r', end='')
async def slow() -> int:
    await asyncio.sleep(3)
    return 42

首先我們使用 async def 將 spin 定義為一個(gè)協(xié)程，讓其不再是一個(gè)常規(guī)的函數(shù)。

spin 協(xié)程取消了第二個(gè)參數(shù)，因?yàn)?Python 沒有為協(xié)程提供 Event 對(duì)象來(lái)進(jìn)行通信，我們需要采用其他招式。

在原來(lái)使用 Event 通信的地方替換成了由 try/except 包裹的 await asyncio.sleep(0.1) 語(yǔ)句塊代碼。這段代碼塊有如下三個(gè)作用：

• await asyncio.sleep(0.1) 的作用類似 time.sleep，可以讓程序暫停 0.1 秒。不同的是，使用 await asyncio.sleep 暫停時(shí)不阻塞其他協(xié)程。
• 因?yàn)檫@里加入了 await 關(guān)鍵字，代碼執(zhí)行到這里時(shí)，當(dāng)前協(xié)程會(huì)主動(dòng)讓出控制權(quán)，不再繼續(xù)往下執(zhí)行，由事件循環(huán)來(lái)調(diào)度其他協(xié)程執(zhí)行。
• 如果在控制當(dāng)前協(xié)程的 Task 實(shí)例中調(diào)用 cancel 方法（有關(guān) Task 的內(nèi)容稍后會(huì)進(jìn)行講解），await asyncio.sleep(0.1) 會(huì)拋出 CancelledError 異常，這里使用 try/except 捕獲異常后退出循環(huán)。這樣，我們就在多個(gè)協(xié)程間利用異常機(jī)制完成了通信，而不必借助于額外的 Event 對(duì)象。

slow 函數(shù)也被改造為一個(gè)協(xié)程，其內(nèi)部原來(lái)編寫的阻塞代碼 time.sleep(3) 被替換為了 await asyncio.sleep(3)。

可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)協(xié)程與普通的函數(shù)在定義上差別不大，只不過(guò)多了兩個(gè)關(guān)鍵字 async 和 await。但二者在執(zhí)行方式上大有不同，普通函數(shù)在使用 () 運(yùn)算符調(diào)用時(shí)（即 spin()）會(huì)立刻執(zhí)行，而協(xié)程在使用 spin() 時(shí)只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程對(duì)象，不會(huì)執(zhí)行。

要執(zhí)行上面兩個(gè)協(xié)程對(duì)象，我們還要對(duì) supervisor 和 main 函數(shù)進(jìn)行改造：

async def supervisor() -> int:
    spinner = asyncio.create_task(spin('thinking!'))
    print(f'spinner object: {spinner}')
    result = await slow()
    spinner.cancel()
    return result
def main() -> None:
    result = asyncio.run(supervisor())
    print(f'Answer: {result}')
if __name__ == '__main__':
    main()

supervisor 函數(shù)同樣被修改為協(xié)程，spin('thinking!') 并不會(huì)像函數(shù)一樣立即執(zhí)行，只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程對(duì)象，將它傳遞給 asyncio.create_task，我們可以得到一個(gè) asyncio.Task 對(duì)象，這個(gè) Task 對(duì)象包裝了協(xié)程對(duì)象并調(diào)度其執(zhí)行，它還提供控制和查詢協(xié)程對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的方法。

使用 await 關(guān)鍵字來(lái)調(diào)用 slow 協(xié)程，這將阻塞 supervisor 程序（但會(huì)讓出控制權(quán)，使其他協(xié)程得以執(zhí)行），直到 slow 返回，返回結(jié)果賦值給 result 變量。

接著調(diào)用了 spinner.cancel()，Task.cancel 方法調(diào)用后，將立即在 Task 所包裝的協(xié)程對(duì)象即 spin 協(xié)程中拋出 CancelledError 異常，spin 中需要使用 try/except 捕獲 await asyncio.sleep(0.1) 拋出的異常，這樣，就實(shí)現(xiàn)了不同協(xié)程之間通過(guò)異常進(jìn)行通信。

main 是唯一的普通函數(shù)，沒有被改造為協(xié)程。main 函數(shù)中的 asyncio.run 是整個(gè)協(xié)程的啟動(dòng)入口，asyncio.run 函數(shù)啟動(dòng)事件循環(huán)，驅(qū)動(dòng) supervisor() 協(xié)程運(yùn)行，最終也將啟動(dòng)其他協(xié)程。

在以上示例代碼中，我們可以總結(jié)出運(yùn)行協(xié)程的 3 種方式：

• asyncio.run(coroutine())：在一個(gè)常規(guī)函數(shù)中調(diào)用，是協(xié)程啟動(dòng)入口，將開啟協(xié)程的事件循環(huán)，調(diào)用后保持阻塞，直至拿到 coroutine() 的返回結(jié)果。
• asyncio.create_task(coroutine())：在協(xié)程中調(diào)用，接收另一個(gè)協(xié)程對(duì)象并調(diào)度其最終執(zhí)行，返回的 Task 對(duì)象是對(duì)協(xié)程對(duì)象的包裝，并且提供控制和查詢協(xié)程對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的方法。
• await coroutine()：在協(xié)程中調(diào)用，await 關(guān)鍵字主動(dòng)讓出執(zhí)行控制權(quán)，終止當(dāng)前協(xié)程執(zhí)行，直至拿到 coroutine() 的返回結(jié)果。同時(shí)這也是一個(gè)表達(dá)式，返回結(jié)果即為 coroutine() 返回值。

下面是協(xié)程版本旋轉(zhuǎn)指針程序測(cè)試效果：

在協(xié)程版本中，spinner 是一個(gè) Task 對(duì)象，其字符串表示形式為 <Task pending name='Task-2' coro=<spin() running at /Users/jianghushinian/spin/spinner_async.py:8>>。

根據(jù)以上示例代碼，我們可以總結(jié)出 Python 協(xié)程的最大特點(diǎn)：一處異步，處處異步。在協(xié)程中任何耗時(shí)操作都會(huì)減慢事件循環(huán)，由于事件循環(huán)是單線程管理的，所以這會(huì)影響其他所有協(xié)程。在編寫協(xié)程代碼，要格外小心，不要寫出同步阻塞的代碼。好在如今 Python 已經(jīng)從語(yǔ)法層面原生支持協(xié)程，比使用生成器實(shí)現(xiàn)協(xié)程的年代要好多了。

給你留個(gè)小作業(yè)：嘗試將 slow 協(xié)程中 await asyncio.sleep(3) 替換成普通的 time.sleep(3) 觀察下效果并思考為什么。

總結(jié)

本文我們分別使用了多線程、多進(jìn)程以及協(xié)程這三種不同的并發(fā)模型實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)指針程序。三者比較起來(lái)，多線程、多進(jìn)程在語(yǔ)法上差別不大，協(xié)程則大為不同，理解起來(lái)也更加困難。

由 supervisor 中打印的 spinner 對(duì)象結(jié)果可以看出，線程對(duì)象使用 Thread 來(lái)表示，進(jìn)程對(duì)象使用 Process 來(lái)表示，協(xié)程對(duì)象則使用 Task 來(lái)表示。協(xié)程的定位是用戶態(tài)線程，相比傳統(tǒng)意義上的線程更加輕量，所以叫作 Task 也合理，代表同一個(gè)線程下的不同任務(wù)。

線程和進(jìn)程無(wú)法在外部終止，即主線程和主進(jìn)程無(wú)法終止由子線程或子進(jìn)程來(lái)執(zhí)行的 spin 函數(shù)，只能通過(guò) Event 來(lái)進(jìn)行通信，然后由 spin 函數(shù)內(nèi)部自己終止。協(xié)程則可以通過(guò)任務(wù)實(shí)例方法 Task.cancel() 進(jìn)行通信，spin 協(xié)程中捕獲 CancelledError 異常后終止自身代碼。

記住，使用協(xié)程的代碼只有一個(gè)執(zhí)行流，就如同單線程代碼，同樣只有一個(gè)執(zhí)行流，只不過(guò)單線程代碼執(zhí)行流永遠(yuǎn)是從上到下，而協(xié)程的執(zhí)行流則由事件循環(huán)來(lái)控制。

多線程和多進(jìn)程模型是搶占式的，由操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行。用戶通常需要控制的是不要讓多個(gè)線程（進(jìn)程）同時(shí)操作同一個(gè)數(shù)據(jù)，常使用互斥鎖來(lái)解決這一問(wèn)題。而協(xié)程只有一個(gè)控制循環(huán)，協(xié)程的控制權(quán)在我們自己手里，我們決定什么時(shí)候切換其他任務(wù)來(lái)執(zhí)行。所以在編寫協(xié)程代碼時(shí)，要時(shí)刻注意不要寫出同步阻塞代碼。

到此這篇關(guān)于詳解Python如何使用并發(fā)模型編程的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python并發(fā)模型內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論