python并发编程(并发与并行，同步和异步，阻塞与非阻塞）

　　最近在学python的网络编程，学了socket通信，并利用socket实现了一个具有用户验证功能，可以上传下载文件、可以实现命令行功能，创建和删除文件夹，可以实现的断点续传等功能的FTP服务器。但在这当中，发现一些概念区分起来很难，比如并发和并行，同步和异步，阻塞和非阻塞，但是这些概念却很重要。因此在此把它总结下来。

1. 并发 & 并行

　　并发：在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行。简言之，是指系统具有处理多个任务的能力。

　　并行：当系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。简言之，是指系统具有同时处理多个任务的能力。

　　下面我们来两个例子：

import threading #线程
import time


def music():
    print('begin to listen music {}'.format(time.ctime()))
    time.sleep(3)
    print('stop to listen music {}'.format(time.ctime()))


def game():
    print('begin to play game {}'.format(time.ctime()))
    time.sleep(5)
    print('stop to play game {}'.format(time.ctime()))


if __name__ == '__main__':
    music()
    game()
    print('ending.....')

View Code

music的时间为3秒，game的时间为5秒，如果按照我们正常的执行，直接执行函数，那么将按顺序顺序执行，整个过程8秒。

import threading #线程
import time


def music():
    print('begin to listen music {}'.format(time.ctime()))
    time.sleep(3)
    print('stop to listen music {}'.format(time.ctime()))


def game():
    print('begin to play game {}'.format(time.ctime()))
    time.sleep(5)
    print('stop to play game {}'.format(time.ctime()))


if __name__ == '__main__':
    t1 = threading.Thread(target=music) #创建一个线程对象t1 子线程
    t2 = threading.Thread(target=game) #创建一个线程对象t2 子线程

    t1.start()
    t2.start()

    # t1.join() #等待子线程执行完 t1不执行完，谁也不准往下走
    t2.join()

    print('ending.......') #主线程
    print(time.ctime())

View Code

　　在这个例子中，我们开了两个线程，将music和game两个函数分别通过线程执行，运行结果显示两个线程同时开始，由于听音乐时间3秒，玩游戏时间5秒，所以整个过程完成时间为5秒。我们发现，通过开启多个线程，原本8秒的时间缩短为5秒，原本顺序执行现在是不是看起来好像是并行执行的？看起来好像是这样，听音乐的同时在玩游戏，整个过程的时间随最长的任务时间变化。但真的是这样吗？那么下面我来提出一个GIL锁的概念。

GIL(全局解释器锁）：无论你启多少个线程，你有多少个cpu, Python在执行的时候会淡定的在同一时刻只允许一个线程运行。

import time
from threading import Thread


def add():
    sum = 0
    i = 1
    while i<=1000000:
        sum += i
        i += 1
    print('sum:',sum)


def mul():
    sum2 = 1
    i = 1
    while i<=100000:
        sum2 = sum2 * i
        i += 1
    print('sum2:',sum2)


start = time.time()

add()
mul() #串行比多线程还快

print('cost time %s'%(time.time()-start))

View Code

import time
from threading import Thread


def add():
    sum = 0
    i = 1
    while i<=1000000:
        sum += i
        i += 1
    print('sum:',sum)


def mul():
    sum2 = 1
    i = 1
    while i<=100000:
        sum2 = sum2 * i
        i += 1
    print('sum2:',sum2)


start = time.time()
t1 = Thread(target=add)
t2 = Thread(target=mul)

l = []
l.append(t1)
l.append(t2)

for t in l:
   t.start()

for t in l:
    t.join()

print('cost time %s'%(time.time()-start))

View Code

　　哎吆，这是怎么回事，串行执行比多线程还快？不符合常理呀。是不是颠覆了你的人生观，这个就和GIL锁有关，同一时刻，系统只允许一个线程执行，那么，就是说，本质上我们之前理解的多线程的并行是不存在的，那么之前的例子为什么时间确实缩短了呢？这里有涉及到一个任务的类型。

--任务： 1.IO密集型（会有cpu空闲的时间）  注：sleep等同于IO操作， socket通信也是IO  
        2.计算密集型
　　而之前那个例子恰好是IO密集型的例子，后面这个由于涉及到了加法和乘法，属于计算密集型操作，那么，就产生了一个结论，多线程对于IO密集型任务有作用，
而计算密集型任务不推荐使用多线程。
　　而其中我们还可以得到一个结论：由于GIL锁，多线程不可能真正实现并行，所谓的并行也只是宏观上并行微观上并发，本质上是由于遇到io操作不断的cpu切换
所造成并行的现象。由于cpu切换速度极快，所以看起来就像是在同时执行。
　　--问题：没有利用多核的优势

    --这就造成了多线程不能同时执行，并且增加了切换的开销，串行的效率可能更高。

2. 同步 & 异步

对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

     1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
     2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

同步：当进程执行IO(等待外部数据）的时候，-----等。同步（例如打电话的时候必须等）
异步：当进程执行IO(等待外部数据）的时候，-----不等，去执行其他任务，一直等到数据接收成功，再回来处理。异步（例如发短信）
当我们去爬取一个网页的时候，要爬取多个网站，有些人可能会发起多个请求，然后通过函数顺序调用。执行顺序也是先调用先执行。效率非常低。
下面我们看一下异步的一个例子：

import socket
import select

"""
########http请求本质，IO阻塞########
sk = socket.socket()
#1.连接
sk.connect(('www.baidu.com',80,)) #阻塞
print('连接成功了')
#2.连接成功后发送消息
sk.send(b"GET / HTTP/1.0
Host: baidu.com

")

#3.等待服务端响应
data = sk.recv(8096)#阻塞
print(data) #

区分响应头和影响体

#关闭连接
sk.close()
"""
"""
########http请求本质，IO非阻塞########
sk = socket.socket()
sk.setblocking(False)
#1.连接
try:
    sk.connect(('www.baidu.com',80,)) #非阻塞，但会报错
    print('连接成功了')
except BlockingIOError as e:
    print(e)

#2.连接成功后发送消息
sk.send(b"GET / HTTP/1.0
Host: baidu.com

")

#3.等待服务端响应
data = sk.recv(8096)#阻塞
print(data) #

区分响应头和影响体

#关闭连接
sk.close()
"""


class HttpRequest:
    def __init__(self,sk,host,callback):
        self.socket = sk
        self.host = host
        self.callback = callback

    def fileno(self):
        return self.socket.fileno()


class HttpResponse:
    def __init__(self,recv_data):
        self.recv_data = recv_data
        self.header_dict = {}
        self.body = None

        self.initialize()

    def initialize(self):
        headers, body = self.recv_data.split(b'

', 1)
        self.body = body
        header_list = headers.split(b'
')
        for h in header_list:
            h_str = str(h,encoding='utf-8')
            v = h_str.split(':',1)
            if len(v) == 2:
                self.header_dict[v[0]] = v[1]


class AsyncRequest:
    def __init__(self):
        self.conn = []
        self.connection = [] # 用于检测是否已经连接成功

    def add_request(self,host,callback):
        try:
            sk = socket.socket()
            sk.setblocking(0)
            sk.connect((host,80))
        except BlockingIOError as e:
            pass
        request = HttpRequest(sk,host,callback)
        self.conn.append(request)
        self.connection.append(request)

    def run(self):

        while True:
            rlist,wlist,elist = select.select(self.conn,self.connection,self.conn,0.05)
            for w in wlist:
                print(w.host,'连接成功...')
                # 只要能循环到，表示socket和服务器端已经连接成功
                tpl = "GET / HTTP/1.0
Host:%s

"  %(w.host,)
                w.socket.send(bytes(tpl,encoding='utf-8'))
                self.connection.remove(w)
            for r in rlist:
                # r,是HttpRequest
                recv_data = bytes()
                while True:
                    try:
                        chunck = r.socket.recv(8096)
                        recv_data += chunck
                    except Exception as e:
                        break
                response = HttpResponse(recv_data)
                r.callback(response)
                r.socket.close()
                self.conn.remove(r)
            if len(self.conn) == 0:
                break


def f1(response):
    print('保存到文件',response.header_dict)


def f2(response):
    print('保存到数据库', response.header_dict)


url_list = [
    {'host':'www.youku.com','callback': f1},
    {'host':'v.qq.com','callback': f2},
    {'host':'www.cnblogs.com','callback': f2},
]

req = AsyncRequest()
for item in url_list:
    req.add_request(item['host'],item['callback'])

req.run()

View Code

　　我们可以看到，三个请求发送顺序与返回顺序，并不一样，这样就体现了异步请求。即我同时将请求发送出去，哪个先回来我先处理哪个。

　　即我们可以理解为：我打电话的时候只允许和一个人通信，和这个人通信结束之后才允许和另一个人开始。这就是同步。

　　　　　　　　　　　我们发短信的时候发完可以不去等待，去处理其他事情，当他回复之后我们再去处理，这样就大大解放了我们的时间。这就是异步。

　　体现在网页请求上面就是我请求一个网页时候等待他回复，否则不接收其它请求，这就是同步。另一种就是我发送请求之后不去等待他是否回复，而去处理其它请求，当处理完其他请求之后，某个请求说，我的回复了，然后程序转而去处理他的回复数据。这就是异步请求。所以，异步可以充分cpu的效率。

3. 阻塞 & 非阻塞

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。
下面我们通过socket实现一个命令行功能来感受一下。

#服务端
from socket import *
import subprocess
import struct

ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
buffer_size = 1024
backlog = 5

tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
tcp_server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加
tcp_server.bind(ip_port)
tcp_server.listen(backlog)

while True:
    conn, addr = tcp_server.accept()
    print('新的客户端链接：', addr)
    while True:
        try:
            cmd = conn.recv(buffer_size)
            print('收到客户端命令:', cmd.decode('utf-8'))

            #执行命令cmd，得到命令的结果cmd_res
            res = subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'),shell=True,
                                   stderr=subprocess.PIPE,
                                   stdout=subprocess.PIPE,
                                   stdin=subprocess.PIPE,
                                   )
            err = res.stderr.read()
            if err:
                cmd_res = err
            else:
                cmd_res = res.stdout.read()
            if not cmd_res:
                cmd_res = '执行成功'.encode('gbk')
            #解决粘包
            length = len(cmd_res)
            data_length = struct.pack('i',length)
            conn.send(data_length)
            conn.send(cmd_res)
        except Exception as e:
            print(e)
            break
    conn.close()


#客户端
from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1',8000)
buffer_size = 1024
backlog = 5

tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_client.connect(ip_port)

while True:
    cmd = input('>>:').strip()
    if not cmd:
        continue
    if cmd == 'quit':
        break
    tcp_client.send(cmd.encode('utf-8'))

    #解决粘包
    length = tcp_client.recv(4)
    length = struct.unpack('i',length)[0]

    recv_size = 0
    recv_msg = b''
    while recv_size < length:
        recv_msg += tcp_client.recv(buffer_size)
        recv_size = len(recv_msg)

    print(recv_msg.decode('gbk'))

View Code

开启了服务器和一个客户端之后，我们在客户端输入一些命令，然后正确显示，功能实现。这是在我再打开一个客户端，输入命令，发现服务器迟迟没有响应。

这个就是当一个客户端在请求的时候，当这个客户端没有结束的时候，服务器不会去处理其他客户端的请求。这时候就阻塞了。

如何让服务器同时处理多个客户端请求呢？

#服务端
import socketserver


class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):
    """socketserver内置的通信方法"""
    def handle(self):
        print('conn is:',self.request)  #conn
        print('addr is:',self.client_address)  #addr

        while True:
            try:
                #发消息
                data = self.request.recv(1024)
                if not data:break
                print('收到的客户端消息是:',data.decode('utf-8'),self.client_address)

                #发消息
                self.request.sendall(data.upper())
            except Exception as e:
                print(e)
                break


if __name__ == '__main__':
    s = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8000), Myserver)  #通信循环
    # s = socketserver.ForkingTCPServer(('127.0.0.1',8000), Myserver)  #通信循环
    print(s.server_address)
    print(s.RequestHandlerClass)
    print(Myserver)
    print(s.socket)
    s.serve_forever()

#客户端

from socket import *

ip_port = ('127.0.0.1',8000)
buffer_size = 1024
backlog = 5

tcp_client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
tcp_client.connect(ip_port)

while True:
    msg = input('>>:').strip()
    if not msg:continue
    if msg == 'quit':break

    tcp_client.send(msg.encode('utf-8'))

    data = tcp_client.recv(buffer_size)
    print(data.decode('utf-8'))

tcp_client.close()

View Code

这段代码通过socketserver模块实现了socket的并发。这个过程中，当一个客户端在向服务器请求的时候，另一个客户端也可以正常请求。服务器在处理一个客户端请求的时候，另一个请求没有被阻塞。

总结：只要有一丁点阻塞，就是阻塞IO。

　　　异步IO的特点就是全程无阻塞。

　　有些人常把同步阻塞和异步非阻塞联系起来，但实际上经过分析，阻塞与同步，非阻塞和异步的定义是不一样的。同步和异步的区别是遇到IO请求是否等待。阻塞和非阻塞的区别是数据没准备好的情况下是否立即返回。关于这两点的区别，看了很多博客，最后总结如下。

阻塞和非阻塞指的是执行一个操作是等操作结束再返回，还是马上返回。

比如餐馆的服务员为用户点菜，当有用户点完菜后，服务员将菜单给后台厨师，此时有两种方式：

第一种：就在出菜窗口等待，直到厨师炒完菜后将菜送到窗口，然后服务员再将菜送到用户手中；
第二种：等一会再到窗口来问厨师，某个菜好了没？如果没有先处理其他事情，等会再去问一次；

第一种就是阻塞方式，第二种则是非阻塞的。

　　同步和异步又是另外一个概念，它是事件本身的一个属性。还拿前面点菜为例，服务员直接跟厨师打交道，菜出来没出来，服务员直接知道，但只有当厨师将菜送到服务员手上，这个过程才算正常完成，这就是同步的事件。同样是点菜，有些餐馆有专门的传菜人员，当厨师炒好菜后，传菜员将菜送到传菜窗口，并通知服务员，这就变成异步的了。其实异步还可以分为两种：带通知的和不带通知的。前面说的那种属于带通知的。有些传菜员干活可能主动性不是很够，不会主动通知你，你就需要时不时的去关注一下状态。这种就是不带通知的异步。

对于同步和异步的事件，阻塞和非阻塞都是可以的。非阻塞又有两种方式：主动查询和被动接收消息。被动不意味着一定不好，在这里它恰恰是效率更高的，因为在主动查询里绝大部分的查询是在做无用功。对于带通知的异步事件，两者皆可。而对于不带通知的，则只能用主动查询。

　　但是对于非阻塞和异步的概念有点混淆，非阻塞只是意味着方法调用不阻塞，就是说作为服务员的你不用一直在窗口等，非阻塞的逻辑是"等可以读（写）了告诉你"，但是完成读（写）工作的还是调用者（线程）服务员的你等菜到窗口了还是要你亲自去拿。而异步意味这你可以不用亲自去做读（写）这件事，你的工作让别人（别的线程）来做，你只需要发起调用，别人把工作做完以后，或许再通知你，它的逻辑是“我做完了告诉/不告诉你”，他和非阻塞的区别在于一个是"已经做完"另一个是"可以去做"。

这也是同步和异步最大的区别，就是同步在有通知时可以进行相关操作，而异步有通知时则代表操作已经完成

再举一个例子：

　　去书店借一本书，同步就是我要亲自到书店，问老板有没有这本书，阻塞就是老板查询的时候（读写）我只能在那等着，老板找到书后把书交给我，这就是同步阻塞。

　　我亲自到书店借书，老板在找这本书的时候，我可以去干别的，然后每隔一段时间去问老板书找到了没有，也可以等老板找到书以后通知我，这就是同步非阻塞。

　　我想借本书，找个人帮我去借，借到书以后再通知我，这就是异步，我只发起调用，但是本身并不参与这个事件，而是让别的线程去做这个事。

　　同步与异步是对应的，它们是线程之间的关系，两个线程之间要么是同步的，要么是异步的。

　　阻塞与非阻塞是对同一个线程来说的，在某个时刻，线程要么处于阻塞，要么处于非阻塞。

　　帮我借书的那个人有没有借到书，我可以打电话问他（轮询），也可以等他通知我,这是异步的通知；在借书的过程中借书的那个人可以轮询的方式查看书是否已经找到（缓冲区有没有数据），找到了你可以把它拿走，也可以等老板找到书后通知我，这是非阻塞的通知与轮询。

　　这里面其实涉及到的知识点还很多，这里只是凭我的记忆简单总结了一下，以后会补充更多。

作者：张亚飞
出处：https://www.cnblogs.com/zhangyafei
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