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Python 多线程与多进程详解

在 Python 中，多线程和多进程是常用的并发编程技术，它们可以帮助程序在处理大量任务时提高效率。Python 提供了多个模块来支持多线程和多进程的开发，包括 threading、multiprocessing 和 asyncio。本文将详细介绍这些模块的基本用法和它们的应用场景。

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1. 多线程：threading 模块

多线程（Multithreading）是一种轻量级的并发机制，允许程序同时执行多个任务。Python 中的 threading 模块提供了用于创建和管理线程的功能。多线程适合于 I/O 密集型任务，比如文件读取、网络请求等。

1.1 创建线程

我们可以通过 threading.Thread 类创建新线程，并使用 start() 启动线程，使用 join() 等待线程结束。

import threading
import timedef print_numbers():for i in range(5):time.sleep(1)print(i)# 创建线程
thread = threading.Thread(target=print_numbers)
# 启动线程
thread.start()
# 等待线程结束
thread.join()print("Thread has finished.")

输出：

0
1
2
3
4
Thread has finished.

1.2 线程同步与锁

在多线程环境下，多个线程可能会访问共享资源。为了避免数据竞争和不一致性，可以使用锁（Lock）来保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。

import threadinglock = threading.Lock()def safe_print():with lock:for i in range(5):print(i)threads = [threading.Thread(target=safe_print) for _ in range(2)]for t in threads:t.start()for t in threads:t.join()

1.3 GIL（全局解释器锁）

需要注意的是，Python 中的多线程并不适合 CPU 密集型任务，这是因为 Python 有全局解释器锁（GIL）。GIL 确保同一时刻只有一个线程执行 Python 字节码，从而限制了多线程的并行执行能力。在进行 CPU 密集型计算时，使用多进程比多线程更有效。

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2. 多进程：multiprocessing 模块

多进程（Multiprocessing）是指通过创建多个进程来执行任务，每个进程拥有独立的内存空间，适用于 CPU 密集型任务，如大数据处理、图像处理等。Python 中的 multiprocessing 模块提供了创建和管理进程的功能。

2.1 创建进程

与多线程类似，我们可以通过 multiprocessing.Process 类来创建新进程。

import multiprocessing
import timedef print_numbers():for i in range(5):time.sleep(1)print(i)# 创建进程
process = multiprocessing.Process(target=print_numbers)
# 启动进程
process.start()
# 等待进程结束
process.join()print("Process has finished.")

输出：

0
1
2
3
4
Process has finished.

2.2 进程间通信

在多进程程序中，进程之间无法共享内存。multiprocessing 模块提供了队列（Queue）和管道（Pipe）来实现进程间通信。

import multiprocessingdef worker(q):q.put("Hello from the child process")# 创建队列
queue = multiprocessing.Queue()
# 创建子进程
process = multiprocessing.Process(target=worker, args=(queue,))
process.start()
process.join()# 获取子进程的结果
print(queue.get())  # 输出: Hello from the child process

2.3 共享内存

multiprocessing 模块也提供了共享内存功能，允许多个进程共享数据。可以使用 Value 或 Array 来实现共享内存。

import multiprocessingdef increment(shared_value):shared_value.value += 1# 创建共享内存
shared_value = multiprocessing.Value('i', 0)# 创建多个进程
processes = [multiprocessing.Process(target=increment, args=(shared_value,)) for _ in range(5)]for p in processes:p.start()for p in processes:p.join()print(shared_value.value)  # 输出: 5

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3. 异步编程：asyncio 模块

asyncio 是 Python 中的异步编程模块，适用于 I/O 密集型任务，特别是网络编程、数据库访问等场景。asyncio 通过事件循环（event loop）来调度任务，使得程序在执行 I/O 操作时不会阻塞，能够同时处理多个任务。

3.1 基本语法

asyncio 通过 async 和 await 关键字定义异步函数和调用异步任务。

import asyncioasync def print_numbers():for i in range(5):await asyncio.sleep(1)print(i)# 创建事件循环并运行异步函数
asyncio.run(print_numbers())

输出：

0
1
2
3
4

3.2 并发执行多个任务

asyncio 允许我们同时运行多个异步任务。通过 asyncio.gather()，可以并发地执行多个异步任务。

async def task1():await asyncio.sleep(1)print("Task 1 finished")async def task2():await asyncio.sleep(2)print("Task 2 finished")async def task3():await asyncio.sleep(3)print("Task 3 finished")# 并发执行多个任务
async def main():await asyncio.gather(task1(), task2(), task3())asyncio.run(main())

输出：

Task 1 finished
Task 2 finished
Task 3 finished

3.3 异常处理

在异步编程中，异常也可以通过 try-except 语句捕获和处理。

async def task():try:await asyncio.sleep(1)raise ValueError("Something went wrong")except ValueError as e:print(f"Caught exception: {e}")asyncio.run(task())

输出：

Caught exception: Something went wrong

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4. 多线程 vs 多进程 vs 异步

特性	多线程 (threading)	多进程 (multiprocessing)	异步编程 (asyncio)
使用场景	I/O 密集型任务	CPU 密集型任务	I/O 密集型任务
并行性	受限于 GIL（Python Global Interpreter Lock）	真正的并行性（每个进程有独立的内存空间）	通过事件循环调度任务，不是并行
内存消耗	共享内存，轻量	每个进程都有独立内存	不占用额外内存，任务共享事件循环
适用情况	网络请求、文件操作等 I/O 操作	大规模数据处理，计算密集型任务	网络编程、数据库访问等 I/O 操作

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5. 总结

• 多线程适合 I/O 密集型任务，但受到 Python GIL 的限制，不适用于 CPU 密集型任务。
• 多进程适合 CPU 密集型任务，能够充分利用多核 CPU，但需要更多的内存和进程间通信机制。
• 异步编程通过 asyncio 模块能够高效地处理大量的 I/O 操作，尤其适用于需要并发执行多个任务的场景。

通过选择合适的并发编程方式，可以有效提高程序的性能，特别是在处理大量任务时。