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理解 Python 并发编程一篇就够了(PoolExecutor 篇)

源码技术 时光弧线 186浏览 0评论

之前我们使用多线程(threading)和多进程(multiprocessing)完成常规的需求,在启动的时候start、jon等步骤不能省,复杂的需要还要用1-2个队列。随着需求越来越复杂,如果没有良好的设计和抽象这部分的功能层次,代码量越多调试的难度就越大。有没有什么好的方法把这些步骤抽象一下呢,让我们不关注这些细节,轻装上阵呢?

答案是: 有的

从Python3.2开始一个叫做concurrent.futures被纳入了标准库,而在Python2它属于第三方的futures库,需要手动安装:

❯ pip install futures

这个模块中有2个类:ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor,也就是对threading和multiprocessing的进行了高级别的抽象, 暴露出统一的接口,帮助开发者非常方便的实现异步调用:

import time
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor, as_completed
NUMBERS = range(25, 38)
def fib(n):
   if n<= 2:
       return 1
   return fib(n-1) + fib(n-2)
start = time.time()
with ProcessPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
   for num, result in zip(NUMBERS, executor.map(fib, NUMBERS)):
       print 'fib({}) = {}'.format(num, result)
print 'COST: {}'.format(time.time() - start)

感受下是不是很轻便呢?看一下花费的时间:

python fib_executor.py
fib(25) = 75025
fib(26) = 121393
fib(27) = 196418
fib(28) = 317811
fib(29) = 514229
fib(30) = 832040
fib(31) = 1346269
fib(32) = 2178309
fib(33) = 3524578
fib(34) = 5702887
fib(35) = 9227465
fib(36) = 14930352
fib(37) = 24157817
COST: 10.8920350075

除了用map,另外一个常用的方法是submit。如果你要提交的任务的函数是一样的,就可以简化成map。但是假如提交的任务函数是不一样的,或者执行的过程之可能出现异常(使用map执行过程中发现问题会直接抛出错误)就要用到submit:

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, as_completed
NUMBERS = range(30, 35)
def fib(n):
   if n == 34:
       raise Exception("Don't do this")
   if n<= 2:
       return 1
   return fib(n-1) + fib(n-2)
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
   future_to_num = {executor.submit(fib, num): num for num in NUMBERS}
   for future in as_completed(future_to_num):
       num = future_to_num[future]
       try:
           result = future.result()
       except Exception as e:
           print 'raise an exception: {}'.format(e)
       else:
           print 'fib({}) = {}'.format(num, result)
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
   for num, result in zip(NUMBERS, executor.map(fib, NUMBERS)):
       print 'fib({}) = {}'.format(num, result)

执一下:

❯ python fib_executor_with_raise.py
fib(30) = 832040
fib(31) = 1346269
raise an exception: Don't do this
fib(32) = 2178309
fib(33) = 3524578
Traceback (most recent call last):
 File "fib_executor_with_raise.py", line 28, in <module>
   for num, result in zip(NUMBERS, executor.map(fib, NUMBERS)):
 File "/Library/Python/2.7/site-packages/concurrent/futures/_base.py", line 580, in map
   yield future.result()
 File "/Library/Python/2.7/site-packages/concurrent/futures/_base.py", line 400, in result
   return self.__get_result()
 File "/Library/Python/2.7/site-packages/concurrent/futures/_base.py", line 359, in __get_result
   reraise(self._exception, self._traceback)
 File "/Library/Python/2.7/site-packages/concurrent/futures/_compat.py", line 107, in reraise
   exec('raise exc_type, exc_value, traceback', {}, locals_)
 File "/Library/Python/2.7/site-packages/concurrent/futures/thread.py", line 61, in run
   result = self.fn(*self.args, **self.kwargs)
 File "fib_executor_with_raise.py", line 9, in fib
   raise Exception("Don't do this")
Exception: Don't do this

可以看到,第一次捕捉到了异常,但是第二次执行的时候错误直接抛出来了。

上面说到的map,有些同学马上会说,这不是进程(线程)池的效果吗?看起来确实是的:

import time
from multiprocessing.pool import Pool
NUMBERS = range(25, 38)
def fib(n):
   if n<= 2:
       return 1
   return fib(n-1) + fib(n-2)
start = time.time()
pool = Pool(3)
results = pool.map(fib, NUMBERS)
for num, result in zip(NUMBERS, pool.map(fib, NUMBERS)):
   print 'fib({}) = {}'.format(num, result)
print 'COST: {}'.format(time.time() - start)

好像代码量更小哟。好吧,看一下花费的时间:

python fib_pool.py
fib(25) = 75025
fib(26) = 121393
fib(27) = 196418
fib(28) = 317811
fib(29) = 514229
fib(30) = 832040
fib(31) = 1346269
fib(32) = 2178309
fib(33) = 3524578
fib(34) = 5702887
fib(35) = 9227465
fib(36) = 14930352
fib(37) = 24157817
COST: 17.1342718601

WhatTF竟然花费了1.7倍的时间。为什么?

BTW,有兴趣的同学可以对比下ThreadPool和ThreadPoolExecutor,由于GIL的缘故,对比的差距一定会更多。

原理

我们就拿ProcessPoolExecutor介绍下它的原理,引用官方代码注释中的流程图:

我们结合源码和上面的数据流分析一下:

  1. executor.map会创建多个_WorkItem对象,每个对象都传入了新创建的一个Future对象。

  2. 把每个_WorkItem对象然后放进一个叫做「Work Items」的dict中,键是不同的「Work Ids」。

  3. 创建一个管理「Work Ids」队列的线程「Local worker thread」,它能做2件事:

    1. 从「Work Ids」队列中获取Work Id, 通过「Work Items」找到对应的_WorkItem。如果这个Item被取消了,就从「Work Items」里面把它删掉,否则重新打包成一个_CallItem放入「Call Q」这个队列。executor的那些进程会从队列中取_CallItem执行,并把结果封装成_ResultItems放入「Result Q」队列中。

    2. 从「Result Q」队列中获取_ResultItems,然后从「Work Items」更新对应的Future对象并删掉入口。

看起来就是一个「生产者/消费者」模型罢了,错了。我们要注意,整个过程并不是多个进程与任务+结果-2个队列直接通信的,而是通过一个中间的「Local worker thread」,它就是让效率提升的重要原因之一!!!

设想,当某一段程序提交了一个请求,期望得到一个答复。但服务程序对这个请求可能很慢,在传统的单线程环境下,调用函数是同步的,也就是说它必须等到服务程序返回结果后,才能进行其他处理。而在Future模式下,调用方式改为异步,而原先等待返回的时间段,在主调用函数中,则可用于处理其他事物。

Future

Future是常见的一种并发设计模式,在多个其他语言中都可以见到这种解决方案。

一个Future对象代表了一些尚未就绪(完成)的结果,在「将来」的某个时间就绪了之后就可以获取到这个结果。比如上面的例子,我们期望并发的执行一些参数不同的fib函数,获取全部的结果。传统模式就是在等待queue.get返回结果,这个是同步模式,而在Future模式下, 调用方式改为异步,而原先等待返回的时间段,由于「Local worker thread」的存在,这个时候可以完成其他工作

在tornado中也有对应的实现。2013年的时候,我曾经写过一篇博客 使用tornado让你的请求异步非阻塞 ,最后也提到了用concurrent.futures实现异步非阻塞的完成耗时任务。

PS:本文全部代码可以在 微信公众号文章代码库项目 中找到。

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