一. 多任務(wù)編程

多任務(wù)編程指利用計算機的多核特點，同時執(zhí)行多個任務(wù)。通過充分地利用計算機資源吼句，來提高程序的運行效率。如多線程和多進程編程事格。在開始學習多任務(wù)編程前惕艳，區(qū)分如下幾個概念非常重要

1.1 并行和并發(fā)

當多個計算機核心同時處理多個任務(wù)時，多個任務(wù)之間是并行關(guān)系驹愚，因此并行數(shù)量取決于計算機核心數(shù)远搪。計算機同時處理多個任務(wù)，內(nèi)核在多個任務(wù)之間不斷切換逢捺，達到好像在同時處理的運行效果谁鳍，此時多個任務(wù)實際為并發(fā)關(guān)系，如IO多路復(fù)用劫瞳。

舉一個生活中的列子：當只有一個咖啡機時倘潜，兩隊人排隊交替使用一個咖啡機，這是并發(fā)志于；而當我們有2臺咖啡機時涮因，兩隊人員就能同時使用各自的咖啡機，互補干擾伺绽。那么回到計算機中：

• 并行(parallel)：指在同一時刻养泡，有多條指令在多個處理器上同時執(zhí)行嗜湃。所以無論從微觀還是從宏觀來看，二者都是一起執(zhí)行的澜掩。
• 并發(fā)(concurrency)：指在同一時刻只能有一條指令執(zhí)行净蚤，但多個進程指令被快速的輪換執(zhí)行，使得在宏觀上具有多個進程同時執(zhí)行的效果输硝，但在微觀上并不是同時執(zhí)行的今瀑，只是把時間分成若干段，使多個進程快速交替的執(zhí)行点把。

1.2 進程和程序

進程：程序在計算機中運行一次的過程橘荠，是一個動態(tài)的過程描述，占有CPU內(nèi)存等計算機資源郎逃，具有一定的生命周期哥童。同一個程序的不同執(zhí)行過程，分配的計算機資源不同褒翰，屬于不同的進程贮懈。

一個進程的創(chuàng)建流程如下：

• 用戶空間運行一個程序，發(fā)起進程創(chuàng)建
• 操作系統(tǒng)接受用戶請求优训，開啟進程創(chuàng)建
• 操作系統(tǒng)分配系統(tǒng)資源朵你，確認進程狀態(tài)
• 將創(chuàng)建好的進程提供給應(yīng)用層使用

程序：靜態(tài)的可執(zhí)行文件，占有磁盤揣非，不占有計算機的運行資源抡医；磁盤不屬于計算機資源。

二. 進程

2.1 相關(guān)概念

CPU時間片：如果一個進程占有計算機核心早敬，我們稱為該進程在CPU的時間片上忌傻。多個任務(wù)實際對CPU會進行爭奪，一般由操作系統(tǒng)分配CPU時間片搞监。

進程控制塊PCB(Processing Control Block)：在操作系統(tǒng)中水孩，進程創(chuàng)建后會自動產(chǎn)生一個空間存放進程信息，稱為進程控制塊琐驴。進程信息包含進程PID俘种、進程占有的內(nèi)存位置、創(chuàng)建時間棍矛、用戶安疗、狀態(tài)等。

進程PID：進程在操作系統(tǒng)中的唯一編號够委，是一個大于０的整數(shù)荐类，由系統(tǒng)自動分配。

進程的特征：進程是操作系統(tǒng)分配“計算機資源”的最小單位茁帽。每個進程都有自己單獨的虛擬內(nèi)存空間玉罐，進程間的執(zhí)行相互獨立屈嗤，互不影響。

ps -aux 查看進程信息

進程的狀態(tài)

三態(tài)：

• 就緒：進程具備執(zhí)行條件扭屁，等待系統(tǒng)分配CPU
• 執(zhí)行：進程占有CPU時間片算谈，處于運行狀態(tài)
• 等待：進程暫時不具備運行條件，需要阻塞等待

五態(tài)（增加新建態(tài)和終止態(tài)）：

• 新建：創(chuàng)建一個新的進程料滥，獲取資源的過程
• 終止：進程結(jié)束然眼，釋放資源的過程
• 進程優(yōu)先級：優(yōu)先級決定了一個進程的執(zhí)行權(quán)限和占有資源的優(yōu)先程度
• top命令 : 動態(tài)地查看進程優(yōu)先級，其中NI的取值范圍為-20~19葵腹，其中-20優(yōu)先級最高
• nice : 運行程序時指定優(yōu)先級高每；

sudo nice -9 ./while.py  # 指定以-9優(yōu)先級來運行程序

父子進程：除了初始化進程，每個進程都有一個父進程践宴，也可能有０個或者多個子進程鲸匿。

• pstree：查看進程樹
• ps -ajx：查看父進程PID

進程的相關(guān)函數(shù)

• os.getpid()：獲取當前進程的PID
• os.getppid()：獲取父進程的PID
• os._exit(status)：退出進程，使用status整數(shù)標識進程的退出狀態(tài)浴井，并通過人為賦予相應(yīng)的含義
• sys.exit([status])：默認為０晒骇，如果是整數(shù)，則表示退出狀態(tài)磺浙；如果是字符串，則表示在退出時打印內(nèi)容

孤兒進程：父進程先于子進程退出徒坡，此時子進程就會成為孤兒進程撕氧。孤兒進程會被系統(tǒng)指定的進程收養(yǎng)，即系統(tǒng)進程會成為該孤兒進程新的父進程喇完，處理孤兒進程的退出狀態(tài)伦泥。因此孤兒進程一定不會成為僵尸進程。

僵尸進程：子進程先于父進程退出锦溪，并且父進程沒有處理子進程退出狀態(tài)不脯，此時子進程成為僵尸進程。僵尸進程已經(jīng)結(jié)束刻诊，但是會滯留部分PCB信息在內(nèi)存防楷，大量的僵尸會消耗系統(tǒng)資源，應(yīng)該盡量避免僵尸進程的產(chǎn)生则涯。

三. 進程的創(chuàng)建

3.1 使用os.fork函數(shù)

• os.fork()創(chuàng)建子進程失敗時返回負數(shù)复局，成功時返回一個非負數(shù)冲簿；
• 在子進程中，返回值為0亿昏；在父進程中峦剔，返回值為子進程的PID；
• 子進程從pid = os.fork()語句之后開始執(zhí)行角钩，但子進程會復(fù)制父進程的全部代碼段吝沫。

import os
import time
 
a = 1
print(time.ctime(), '程序開始執(zhí)行:')
 
pid = os.fork()  # 創(chuàng)建子進程
if pid < 0:
    print('子進程創(chuàng)建失敗!')
elif pid == 0:
    # 子進程
    time.sleep(2)
    print('子進程:a=', a)
    a = 1000
    print('在子進程中將ａ的值設(shè)為1000')
else:
    print('子進程PID:', pid)
    time.sleep(4)
    print('父進程:a=',a)  # 空間獨立，互不影響
 
print(time.ctime(), '程序執(zhí)行完畢!')

運行結(jié)果：

3.2 如何避免僵尸進程的產(chǎn)生

當子進程先于父進程退出递礼，如果父進程沒有處理子進程退出狀態(tài)野舶，此時子進程成為僵尸進程。因為為了避免產(chǎn)生僵尸宰衙，首先想到的即讓“父進程先于子進程退出”平道，具體實現(xiàn)如下：

• 父進程創(chuàng)建子進程等待子進程退出；
• 子進程創(chuàng)建二級子進程供炼，然后立馬退出一屋；
• 二級子進程成為孤兒，處理具體事宜袋哼；

import os
from time import sleep, ctime
 
def func1():
    sleep(3)
    print(ctime(), 'fun1()')
 
def func2():
    sleep(4)
    print(ctime(), 'fun2()')
 
pid = os.fork()
 
if pid < 0:
    print('create process failed!')
elif pid == 0:
    # 創(chuàng)建二級子進程
    pid0 = os.fork()
    if pid0 < 0:
        print('create 2th process failed!')
    elif pid0 == 0:
        func2()
        print(ctime(), '二級子進程退出!')
    else:
        # 一級子進程在創(chuàng)建二級子進程后立刻退出冀墨，不會造成父進程的阻塞
        print(ctime(), '一級子進程退出')
        os._exit(0)
else:
    print(ctime(), '父進程阻塞等待回收一級子進程')
    os.wait()
    func1()
    print(ctime(), '父進程退出')

運行結(jié)果：

避免僵尸的第二種方法即在父進程中阻塞等待處理子進程的退出，使用我們上例中用到的os.wait即可涛贯。os.wait()返回值為子進程PID以及子進程的退出狀態(tài)（默認為0）诽嘉。

import os
import sys
from time import sleep, ctime
 
pid = os.fork()
 
if pid < 0:
    print("Create process failed!")
elif pid == 0:
    sleep(3)
    print(ctime(), "子進程{}即將退出".format(os.getpid()))
    sys.exit(2)
else:
    print(ctime(), '父進程阻塞等待子進程{}的退出'.format(pid))
    # 阻塞等待子進程退出
    pid,status = os.wait()
    print(ctime(), '父進程已處理子進程{}的退出'.format(pid))
    # 退出狀態(tài)2 * 256,便于系統(tǒng)的識別
    print(pid,status)
    # 打印sys.exit(2)設(shè)置的退出狀態(tài)
    print(os.WEXITSTATUS(status))

運行結(jié)果：

和os.wait方法類似，os模塊還提供了一個os.waitpid(pid,option)方法弟翘，pid可以指定處理的子進程PID虫腋，option則可以指定阻塞和非阻塞。具體如下：

• pid,status = os.waitpid(pid,option) 處理子進程的退出
• pid -1：任意子進程退出稀余；>0：指定PID號的子進程退出悦冀；
• option 0：阻塞等待；WNOHANG：非阻塞
• pid, status = waitpid(-1,0) 等價于pid, status = wait()

import os
import sys
from time import sleep
 
pid = os.fork()
 
if pid < 0:
    print("Create process failed!")
elif pid == 0:
    sleep(3)
    print("子進程{}即將退出".format(os.getpid()))
    sys.exit(2)
else:
    # 等待子進程退出
    while True:
        sleep(1)
        #-1表示任意子進程　os.WNOHANG表示非阻塞
        pid,status = os.waitpid(-1,os.WNOHANG) 
        #status即子進程的退出狀態(tài)sys.exit(2)　* 256
        print(pid,status)
        if os.WEXITSTATUS(status):
            print("主進程已處理{}進程的退出".format(pid))
            break
        print("Do something others!")

運行結(jié)果：

除了使用上述的os.wait / os.waitpid在主進程中處理子進程的退出狀態(tài)外睛琳，更常用的一種方式是利用系統(tǒng)內(nèi)核盒蟆，異步地處理子進程退出問題。實現(xiàn)過程大致如下：

• 在多任務(wù)程序初始化時师骗，（注意历等，需要導(dǎo)入signal標準庫模塊）聲明signal.signal(signal.SIGCHLD, signal.SIG_IGN)；
• 內(nèi)核發(fā)現(xiàn)子進程退出時辟癌，會給主進程發(fā)送一個SIGCHLD信號寒屯，signal的第二個參數(shù)是主進程對子進程的處理方式；
• SIG_IGN即主進程忽略子進程的退出愿待，并交由系統(tǒng)處理回收子進程的退出浩螺。（此處不再詳細舉例靴患，后續(xù)介紹進程間通信方式時，再對信號做詳細介紹）

3.2 使用multiprocessing模塊

multiprocessing模塊中要出，需要將要做的事情封裝為函數(shù)鸳君，使用multiprocessing中提供的Process類，在實例化時傳入target函數(shù)患蹂，創(chuàng)建進程對象或颊。p.start啟動進程后，會自動執(zhí)行相關(guān)聯(lián)函數(shù)传于，并在事件完成后回收進程囱挑。此過程用到的主要類、方法如下：

'''通常使用multiprocessing創(chuàng)建進程，父進程只用作進程的創(chuàng)建和回收能耻，不做其他工作赏枚。'''
import os, time
import multiprocessing as mp
 
a = 1
 
def func():
    '''修改子進程空間的內(nèi)容，不會對父進程產(chǎn)生影響'''
    global a
    a = 100
    print('在子進程中a =',a)
    print('子進程{}已完成func的執(zhí)行晓猛，即將返回主進程{}'.format(os.getpid(), os.getppid()))
 
p = mp.Process(target=func)  # 創(chuàng)建進程對象
p.start()  # 啟動進程
print('在父進程{}中創(chuàng)建了子進程{}'.format(os.getpid(), p.pid))
time.sleep(5)  # 延遲5s,使子進程修改了變量a綁定的值
print('父進程中:a = ',a)
 
p.join()  # 回收子進程,有效防止了僵尸進程的產(chǎn)生

運行結(jié)果：

multiprocessing創(chuàng)建進程總結(jié)如下：

multiprocessing創(chuàng)建進程是原來進程的子進程饿幅，創(chuàng)建后父子進程各自執(zhí)行互不影響。子進程同樣是復(fù)制父進程的空間鞍帝，子進程對內(nèi)容的修改诫睬，不會影響父進程空間。join回收子進程帕涌，會有效阻止僵尸進程產(chǎn)生。

進程對象的屬性：

• p.name：進程名稱续徽，默認為Process-1蚓曼，可自定義名稱；
• p.pid：創(chuàng)建進程的PID
• p.daemon：默認值為False钦扭，父進程退出纫版，不會影響子進程的運行；設(shè)置為True時客情，父進程退出其弊，子進程也將退出癞己；daemon 的設(shè)置必須在start前。如果設(shè)置daemon為True梭伐，則不再使用join痹雅，在子進程退出前，會自動做處理糊识；
• p.is_alive() 判斷進程生命周期狀態(tài)绩社，返回True/False

通常使用multiprocessing創(chuàng)建進程，父進程只用作進程的創(chuàng)建和回收赂苗，不做其他工作愉耙。