1、引言

小屌丝：鱼哥，你上一篇《Python3，掌握这几种并行处理，轻轻松松提升for循环速度》写的很赞，我还想继续深入并行计算。
小鱼：那你的意思，哪一篇写的不深呗？
小屌丝：我可没有那个意思。
小鱼：我也没说你是哪个意思。
小屌丝：我就是想着你能不能再讲一讲，关于如何实现CPU并行计算。
小鱼：我屮艸芔茻…你这是有啥心思？
小屌丝：我… 我没有。
在这里插入图片描述

小鱼：如实说来，或许，我还能讲一讲。
小屌丝：当真？
小鱼：当真…
小屌丝：就是，我要在公司分享一些技术，就涉及到如何实现CPU并行计算方面的姿势 . 知识。
小鱼：这样啊，那你直接说就好了。我又不是特别喜欢黑桃A。
小屌丝：… 整，整，整吧。

2、实战

2.1 多进程模式

这里，我们主要以Python中的额多进程模式进行讲解。

2.1.1 定义

在Python中，多进程模式是指同时运行多个进程来执行任务的一种编程模式。
Python提供了多个模块来支持多进程编程，其中最常用的是multiprocessing模块。

2.1.2 multiprocessing

使用multiprocessing模块可以创建和管理多个进程，每个进程都有自己独立的内存空间和执行环境。
通过将任务分配给不同的进程，可以实现并行执行，提高程序的运行效率。

2.1.3 模式

在多进程模式下，每个进程都有自己的主程序流程，可以独立执行任务。
进程之间可以通过进程间通信（IPC）机制来进行数据交换和同步操作。

2.1.4 适用场景

多进程模式适用于需要充分利用多核处理器或执行耗时任务的场景。
通过将任务分配给多个进程，可以充分利用系统资源，提高程序的运行效率。

2.1.4 代码示例

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ


import multiprocessing

def worker(num):
    """子进程的任务函数"""
    print(f'Worker {num} started')
    # 执行一些任务
    print(f'Worker {num} finished')

if __name__ == '__main__':
    # 创建多个子进程
    processes = []
    for i in range(5):
        p = multiprocessing.Process(target=worker, args=(i,))
        processes.append(p)
        p.start()

    # 等待所有子进程结束
    for p in processes:
        p.join()

    print('All workers finished')

2.2 执行方法

2.2.1 多线程并发执行

多进程模式下，将任务分配给多个进程并行执行，从而利用多核CPU的优势。
这可以说作为一名码农，必备的知识点。

这里，我们同样使用multiprocessing 来实现一个并发执行任务的示例。

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ

import multiprocessing

def task(name):
    print(f"Running task {name}")

if __name__ == "__main__":
    # 创建进程池，最大进程数为4
    pool = multiprocessing.Pool(processes=4)

    # 提交任务到进程池
    for i in range(10):
        pool.apply_async(task, args=(i,))

    # 关闭进程池，不再接受新的任务
    pool.close()

    # 等待所有任务完成
    pool.join()

    print("All tasks completed")

解析：

首先创建了一个进程池，最大进程数为4；
其次使用apply_async方法提交了10个任务到进程池中；
最后，我们关闭进程池并等待所有任务完成。

2.2.2 进程池

对于大量重复的任务，
使用进程池来维护一定数量的进程，每个进程执行一个任务后返回结果，然后再由进程池分配下一个任务。
这样的好处就是：避免频繁地创建和销毁进程，从而提高效率。

我们使用 multiprocessing模块的Pool类来实现进程池。

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ

import multiprocessing

def worker(num):
    print('Worker', num)

if __name__ == '__main__':
    # 创建一个进程池，最大进程数为3
    pool = multiprocessing.Pool(processes=3)

    # 使用进程池执行任务
    for i in range(5):
        pool.apply_async(worker, (i,))

    # 关闭进程池，不再接受新的任务
    pool.close()

    # 等待所有任务完成
    pool.join()

解析：

首先，创建了一个进程池，最大进程数为3；
其次，使用进程池的apply_async方法提交任务，每个任务都会由进程池中的一个空闲进程执行；
最后，关闭进程池并等待所有任务完成。

2.2.3 消息队列

在多进程模式下，不同的进程之间需要进行通信，可以利用消息队列来实现进程间通信。

我们使用Queue模块来实现消息队列。

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ

from queue import Queue
import time

# 创建一个消息队列
message_queue = Queue()

# 生产者函数，向消息队列中添加消息
def producer():
    for i in range(5):
        message = f"Message {i+1}"
        message_queue.put(message)
        print(f"Produced: {message}")
        time.sleep(1)

# 消费者函数，从消息队列中获取消息并处理
def consumer():
    while True:
        message = message_queue.get()
        print(f"Consumed: {message}")
        time.sleep(2)
        message_queue.task_done()

# 创建并启动生产者和消费者线程
producer_thread = threading.Thread(target=producer)
consumer_thread = threading.Thread(target=consumer)

producer_thread.start()
consumer_thread.start()

# 等待生产者和消费者线程结束
producer_thread.join()
consumer_thread.join()

解析：

使用Queue模块创建了一个消息队列message_queue；
生产者函数producer负责向消息队列中添加消息；
消费者函数consumer负责从消息队列中获取消息并进行处理。

2.2.4 内存共享

对于需要多个进程共享的数据，可以使用共享内存来避免数据拷贝和进程间通信的开销。

我们使用multiprocessing模块的Value和Array类来实现共享内存

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ

from multiprocessing import Process, Value, Array

# 定义一个共享变量
shared_value = Value('i', 0)

# 定义一个共享数组
shared_array = Array('d', [0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0])

# 定义一个函数，用于修改共享变量和数组的值
def modify_shared_data(value, array):
    value.value = 10
    for i in range(len(array)):
        array[i] = i * 2

# 创建一个子进程，传入共享变量和数组
p = Process(target=modify_shared_data, args=(shared_value, shared_array))
p.start()
p.join()

# 打印共享变量和数组的值
print("Shared value:", shared_value.value)
print("Shared array:", shared_array[:])

解析：

首先，使用Value和Array类分别创建了一个共享变量shared_value和一个共享数组shared_array；
其次，定义了一个函数modify_shared_data，该函数会修改共享变量和数组的值；
第三，创建了一个子进程，将共享变量和数组作为参数传递给子进程；
最后，子进程执行完毕后，输出共享变量和数组的值。

2.2.5 异步IO

对于I/O密集型任务，可以使用异步IO来提高效率。

我们使用asyncio模块来实现异步IO。

代码示例

# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time   : 2023-07-01
# @Author : Carl_DJ


import asyncio

async def fetch_data(url):
    print(f"正在请求URL：{url}")
    await asyncio.sleep(2)  # 模拟网络请求延迟
    print(f"请求URL：{url}完成")
    return f"从{url}获取的数据"

async def main():
    urls = [
        "https://www.example.com",
        "https://www.google.com",
        "https://www.baidu.com"
    ]
    tasks = [fetch_data(url) for url in urls]
    results = await asyncio.gather(*tasks)
    print(results)

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())