python實現多進程通信實例分析

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實現多進程通信實例分析，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

操作系統會為每一個創(chuàng)建的進程分配一個獨立的地址空間，不同進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。那么進程之間怎么進行通信？他們之間的關聯是怎樣的？實現原理是什么？本文就來借助Python簡單的聊一下進程之間的通信？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，本質上可以看做一種文件，只存在于內存當中，不會存盤。不同進程通過系統提供的接口來向管道中讀取或者寫入數據。

也就是說我們通過這樣一個中間介質為進程提供交流的方式。無名管道的局限在于一般只用于有直接關聯關系的父子進程。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：

創(chuàng)建Pipe，得到兩個connection對象conn1和conn2；
父進程持有conn1，將conn2傳遞給子進程；
父子進程通過對持有的connection對象進行send和recv操作以進行數據傳遞和接受；

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系的進程，局限性比較大。下面來看一下可以在任意進程間進行通信的具名管道。

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：

producer進程往pipe.in文件中寫入消息數據；
consumer進程從pipe.in文件中讀入消息數據；
consumer進程往pipe.out文件中寫入回執(zhí)消息數據；
producer進程從pipe.out文件中讀出回執(zhí)消息數據；

結果如下：

[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

兩個進程沒有直接的關系，每個進程有一個讀文件和寫文件，如果兩個進程的讀寫文件是關聯的，就可以進行通信。

3. 消息隊列（Queue）

進程之間通過向隊列中添加數據或者從隊列中獲取數據來進行消息數據的傳遞。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。

結果：

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：

可以指定隊列的容量，如果超出容量會有異常：raise Full；
默認put和get均會阻塞當前進程；
如果put沒有設置成阻塞，那么可能自己從隊列中取出自己放入的數據；

4. 共享內存

共享內存是一種常用的，高效的進程之間的通信方式，為了保證共享內存的有序訪問，需要對進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中如何在不同進程間使用共享內存進行通信的。

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:
        """ 當共享內存沒有有效數據時結束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存的原理；

進程虛擬地址到物理地址的一個映射關如下：