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python實現(xiàn)多進(jìn)程通信實例分析

 更新時間：2019年09月01日 08:19:00   作者：alpha_panda  
這篇文章主要介紹了python實現(xiàn)多進(jìn)程通信實例分析，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

操作系統(tǒng)會為每一個創(chuàng)建的進(jìn)程分配一個獨立的地址空間，不同進(jìn)程的地址空間是完全隔離的，因此如果不加其他的措施，他們完全感覺不到彼此的存在。那么進(jìn)程之間怎么進(jìn)行通信？他們之間的關(guān)聯(lián)是怎樣的？實現(xiàn)原理是什么？本文就來借助Python簡單的聊一下進(jìn)程之間的通信？還是那句話，原理是相同的，希望能透過具體的例子來體會一下本質(zhì)的東西。

下面盡量以簡單的方式介紹一下每一類通信方式，具體的細(xì)節(jié)可以參照文檔使用；

1. 管道

先來看一下最簡單、古老的一種IPC：管道。通常指的是無名管道，本質(zhì)上可以看做一種文件，只存在于內(nèi)存當(dāng)中，不會存盤。不同進(jìn)程通過系統(tǒng)提供的接口來向管道中讀取或者寫入數(shù)據(jù)。

也就是說我們通過這樣一個中間介質(zhì)為進(jìn)程提供交流的方式。無名管道的局限在于一般只用于有直接關(guān)聯(lián)關(guān)系的父子進(jìn)程。下面通過一個簡單的例子來看一下其用法。

from multiprocessing import Process, Pipe

def pstart(pname, conn):
  conn.send("Data@subprocess")
  print(conn.recv())     # Data@parentprocess

if __name__ == '__main__':
  conn1, conn2 = Pipe(True)
  sub_proc = Process(target=pstart, args=('subprocess', conn2,))
  sub_proc.start()
  print (conn1.recv())    # Data@subprocess
  conn1.send("Data@parentprocess")
  sub_proc.join()

管道通信三步曲：

  1. 創(chuàng)建Pipe，得到兩個connection對象conn1和conn2；
  2. 父進(jìn)程持有conn1，將conn2傳遞給子進(jìn)程；
  3. 父子進(jìn)程通過對持有的connection對象進(jìn)行send和recv操作以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和接受；

上面我們創(chuàng)建的是全雙工管道，也可以創(chuàng)建半雙工管道，具體使用可以參照官網(wǎng)描述：

Returns a pair (conn1, conn2) of Connection objects representing the ends of a pipe.

If duplex is True (the default) then the pipe is bidirectional. If duplex is False then the pipe is unidirectional: conn1 can only be used for receiving messages and conn2 can only be used for sending messages.

2. 具名管道（FIFO）

上面介紹的管道主要用于有直接關(guān)系的進(jìn)程，局限性比較大。下面來看一下可以在任意進(jìn)程間進(jìn)行通信的具名管道。

由于window平臺上os模塊沒有mkfifo屬性，因此這個例子只能在linux上運行（測試環(huán)境 CentOS 7， Python 2.7.5）：

#!/usr/bin/python
import os, time
from multiprocessing import Process

input_pipe = "./pipe.in"
output_pipe = "./pipe.out"

def consumer():
  if os.path.exists(input_pipe):
    os.remove(input_pipe)
  if os.path.exists(output_pipe):
    os.remove(output_pipe)

  os.mkfifo(output_pipe)
  os.mkfifo(input_pipe)
  in1 = os.open(input_pipe, os.O_RDONLY)    # read from pipe.in
  out1 = os.open(output_pipe, os.O_SYNC | os.O_CREAT | os.O_RDWR)
  while True:
    read_data = os.read(in1, 1024)
    print("received data from pipe.in: %s @consumer" % read_data)
    if len(read_data) == 0:
      time.sleep(1)
      continue

    if "exit" in read_data:
      break
    os.write(out1, read_data)
  os.close(in1)
  os.close(out1)

def producer():
  in2 = None
  out2 = os.open(input_pipe, os.O_SYNC | os.O_CREAT | os.O_RDWR)

  for i in range(1, 4):
    msg = "msg " + str(i)
    len_send = os.write(out2, msg)
    print("------product msg: %s by producer------" % msg)
    if in2 is None:
      in2 = os.open(output_pipe, os.O_RDONLY)    # read from pipe.out
    data = os.read(in2, 1024)
    if len(data) == 0:
      break
    print("received data from pipe.out: %s @producer" % data)
    time.sleep(1)

  os.write(out2, 'exit')
  os.close(in2)
  os.close(out2)

if __name__ == '__main__':
  pconsumer = Process(target=consumer, args=())
  pproducer = Process(target=producer, args=())
  pconsumer.start()
  time.sleep(0.5)
  pproducer.start()
  pconsumer.join()
  pproducer.join()

運行流程如下：

每一輪的過程如下：

  1. producer進(jìn)程往pipe.in文件中寫入消息數(shù)據(jù)；
  2. consumer進(jìn)程從pipe.in文件中讀入消息數(shù)據(jù)；
  3. consumer進(jìn)程往pipe.out文件中寫入回執(zhí)消息數(shù)據(jù)；
  4. producer進(jìn)程從pipe.out文件中讀出回執(zhí)消息數(shù)據(jù)；

結(jié)果如下：

[shijun@localhost python]$ python main.py
------product msg: msg 1 by producer------
received data from pipe.in: msg 1 @consumer
received data from pipe.out: msg 1 @producer
------product msg: msg 2 by producer------
received data from pipe.in: msg 2 @consumer
received data from pipe.out: msg 2 @producer
------product msg: msg 3 by producer------
received data from pipe.in: msg 3 @consumer
received data from pipe.out: msg 3 @producer
received data from pipe.in: exit @consumer

兩個進(jìn)程沒有直接的關(guān)系，每個進(jìn)程有一個讀文件和寫文件，如果兩個進(jìn)程的讀寫文件是關(guān)聯(lián)的，就可以進(jìn)行通信。

3. 消息隊列（Queue）

進(jìn)程之間通過向隊列中添加數(shù)據(jù)或者從隊列中獲取數(shù)據(jù)來進(jìn)行消息數(shù)據(jù)的傳遞。下面是一個簡單的例子。

from multiprocessing import Process, Queue
import time

def producer(que):
  for product in ('Orange', 'Apple', ''):
    print('put product: %s to queue' % product)
    que.put(product)
    time.sleep(0.5)
    res = que.get()
    print('consumer result: %s' % res)

def consumer(que):
  while True:
    product = que.get()
    print('get product:%s from queue' % product)
    que.put('suc!')
    time.sleep(0.5)
    if not product:
      break

if __name__ == '__main__':
  que = Queue(1)
  p = Process(target=producer, args=(que,))
  c = Process(target=consumer, args=(que,))
  p.start()
  c.start()
  p.join()
  c.join()

這個例子比較簡單，queue的具體用法可以參考一下官網(wǎng)。

結(jié)果：

put product: Orange to queue
consumer result: suc!
put product: Apple to queue
consumer result: suc!
put product: to queue
consumer result: suc!
get product:Orange from queue
get product:Apple from queue
get product: from queue

這里有幾點需要注意下：

  1. 可以指定隊列的容量，如果超出容量會有異常：raise Full；
  2. 默認(rèn)put和get均會阻塞當(dāng)前進(jìn)程；
  3. 如果put沒有設(shè)置成阻塞，那么可能自己從隊列中取出自己放入的數(shù)據(jù)；

4. 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是一種常用的，高效的進(jìn)程之間的通信方式，為了保證共享內(nèi)存的有序訪問，需要對進(jìn)程采取額外的同步措施。

下面的這個例子僅僅簡單的演示了Python中如何在不同進(jìn)程間使用共享內(nèi)存進(jìn)行通信的。

from multiprocessing import Process
import mmap
import contextlib
import time

def writer():
  with contextlib.closing(mmap.mmap(-1, 1024, tagname='cnblogs', access=mmap.ACCESS_WRITE)) as mem:
    for share_data in ("Hello", "Alpha_Panda"):
      mem.seek(0)
      print('Write data:== %s == to share memory!' % share_data)
      mem.write(str.encode(share_data))
      mem.flush()
      time.sleep(0.5)

def reader():
  while True:
    invalid_byte, empty_byte = str.encode('\x00'), str.encode('')
    with contextlib.closing(mmap.mmap(-1, 1024, tagname='cnblogs', access=mmap.ACCESS_READ)) as mem:
      share_data = mem.read(1024).replace(invalid_byte, empty_byte)
      if not share_data:
        """ 當(dāng)共享內(nèi)存沒有有效數(shù)據(jù)時結(jié)束reader """
        break
      print("Get data:== %s == from share memory!" % share_data.decode())
    time.sleep(0.5)


if __name__ == '__main__':
  p_reader = Process(target=reader, args=())
  p_writer = Process(target=writer, args=())
  p_writer.start()
  p_reader.start()
  p_writer.join()
  p_reader.join()

執(zhí)行結(jié)果：

Write data:== Hello == to share memory!
Write data:== Alpha_Panda == to share memory!
Get data:== Hello == from share memory!
Get data:== Alpha_Panda == from share memory!

下面簡單的來說明一下共享內(nèi)存的原理；

進(jìn)程虛擬地址到物理地址的一個映射關(guān)如下：

上面這個圖已經(jīng)很明白的展示了共享內(nèi)存的原理。

左邊是正常情況下，不同進(jìn)程的線性地址空間被映射到不同的物理內(nèi)存頁，這樣不管其他進(jìn)程怎么修改物理內(nèi)存，都不會影響到其他進(jìn)程；

右邊表示的是進(jìn)程共享內(nèi)存的情況下，不同進(jìn)程的部分線性地址會被映射到同一物理頁，一個進(jìn)程對這個物理頁的修改，會對另一個進(jìn)程立即可見；

當(dāng)然潛在的問題就是要采取進(jìn)程同步措施，也就是對共享內(nèi)存的訪問必須是互斥的。這個可以借助信號量來實現(xiàn)。

5. socket通信

最后再來介紹一種可以跨主機的進(jìn)程間通信：socket。

懂網(wǎng)絡(luò)編程的人，對這個應(yīng)該都比較熟悉。socket不僅可以跨主機進(jìn)行通信，甚至有時候可以使用socket在同一主機的不同進(jìn)程間進(jìn)行通信。

這部分代碼比較簡單常見，這里僅僅使用流程圖來表示一下socket通信的流程及相關(guān)接口。

上圖表示客戶端上某進(jìn)程使用socket和服務(wù)器上監(jiān)聽程序進(jìn)行socket通信的一個流程。

小結(jié)

到這里關(guān)于常見的進(jìn)程間通信相關(guān)的概念和實例均簡單介紹了一下。希望本文能讓你對進(jìn)程間通信有一個更深入的理解和認(rèn)識。

結(jié)合之前幾篇介紹線程、進(jìn)程概念及線程間同步的一些措施的介紹，相信應(yīng)該對線程和進(jìn)程相關(guān)概念有一個簡單清晰的認(rèn)識了。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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