一个程序可以通过Python库函数中的os或subprocess模块创建新进程(例如os.fork()或是subprocess.Popen())。然而，这些被称为子进程的进程却是独立运行的，它们有各自独立的系统状态以及主线程。因为进程之间是相互独立的，因此它们同原有的进程并发执行。这是指原进程可以在创建子进程后去执行其它工作。
虽然进程之间是相互独立的，但是它们能够通过名为进程间通信(IPC)的机制进行相互通信。一个典型的模式是基于消息传递，可以将其简单地理解为一个纯字节的缓冲区，而send()或recv()操作原语可以通过诸如管道(pipe)或是网络套接字(network socket)等I/O通道传输或接收消息。还有一些IPC模式可以通过内存映射(memory-mapped)机制完成(例如mmap模块)，通过内存映射，进程可以在内存中创建共享区域，而对这些区域的修改对所有的进程可见。
多进程能够被用于需要同时执行多个任务的场景，由不同的进程负责任务的不同部分。然而，另一种将工作细分到任务的方法是使用线程。同进程类似，线程也有其自己的控制流以及执行栈，但线程在创建它的进程之内运行，分享其父进程的所有数据和系统资源。当应用需要完成并发任务的时候线程是很有用的，但是潜在的问题是任务间必须分享大量的系统状态。
当使用多进程或多线程时，操作系统负责调度。这是通过给每个进程(或线程)一个很小的时间片并且在所有活动任务之间快速循环切换来实现的，这个过程将CPU时间分割为小片段分给各个任务。例如，如果你的系统中有10个活跃的进程正在执行，操作系统将会适当的将十分之一的CPU时间分配给每个进程并且循环地在十个进程之间切换。当系统不止有一个CPU核时，操作系统能够将进程调度到不同的CPU核上，保持系统负载平均以实现并行执行。
利用并发执行机制写的程序需要考虑一些复杂的问题。复杂性的主要来源是关于同步和共享数据的问题。通常情况下，多个任务同时试图更新同一个数据结构会造成脏数据和程序状态不一致的问题(正式的说法是资源竞争的问题)。为了解决这个问题，需要使用互斥锁或是其他相似的同步原语来标识并保护程序中的关键部分。举个例子，如果多个不同的线程正在试图同时向同一个文件写入数据，那么你需要一个互斥锁使这些写操作依次执行，当一个线程在写入时，其他线程必须等待直到当前线程释放这个资源。
Python提供了一些很精巧的工具用于管理基于线程和进程的并发操作。即使是简单地程序也能够使用这些工具使得任务并发进行从而加快运行速度。subprocess模块为子进程的创建和通信提供了API。这特别适合运行与文本相关的程序，因为这些API支持通过新进程的标准输入输出通道传送数据。
signal模块将UNIX系统的信号量机制暴露给用户，用以在进程之间传递事件信息。信号是异步处理的，通常有信号到来时会中断程序当前的工作。信号机制能够实现粗粒度的消息传递系统，但是有其他更可靠的进程内通讯技术能够传递更复杂的消息。threading模块为并发操作提供了一系列高级的，面向对象的API。
Thread对象们在一个进程内并发地运行，分享内存资源。使用线程能够更好地扩展I/O密集型的任务。multiprocessing模块同threading模块类似，不过它提供了对于进程的操作。每个进程类是真实的操作系统进程，并且没有共享内存资源，但multiprocessing模块提供了进程间共享数据以及传递消息的机制。
import threading
import logging
def do_threaded_work(work_items, work_func, num_threads=None, per_sync_timeout=1, preserve_result_ordering=True):
""" Executes work_func on each work_item. Note: Execution order is not preserved, but output ordering is (optionally).
Parameters:
- num_threads Default: len(work_items) --- Number of threads to use process items in work_items.
- per_sync_timeout Default: 1 --- Each synchronized operation can optionally timeout.
- preserve_result_ordering Default: True --- Reorders result_item to match original work_items ordering.
Return:
--- list of results from applying work_func to each work_item. Order is optionally preserved.
Example:
def process_url(url):
# TODO: Do some work with the url
return url
urls_to_process = ["http://url1.com", "http://url2.com", "http://site1.com", "http://site2.com"]
# process urls in parallel
result_items = do_threaded_work(urls_to_process, process_url)
# print(results)
print(repr(result_items))
"""
global wrapped_work_func
if not num_threads:
num_threads = len(work_items)
work_queue = Queue.Queue()
result_queue = Queue.Queue()
index = 0
for work_item in work_items:
if preserve_result_ordering:
work_queue.put((index, work_item))
else:
work_queue.put(work_item)
index += 1
if preserve_result_ordering:
wrapped_work_func = lambda work_item: (work_item[0], work_func(work_item[1]))
start_logging_with_thread_info()
#spawn a pool of threads, and pass them queue instance
for _ in range(num_threads):
if preserve_result_ordering:
t = ThreadedWorker(work_queue, result_queue, work_func=wrapped_work_func, queue_timeout=per_sync_timeout)
else:
t = ThreadedWorker(work_queue, result_queue, work_func=work_func, queue_timeout=per_sync_timeout)
t.setDaemon(True)
t.start()
work_queue.join()
stop_logging_with_thread_info()
logging.info('work_queue joined')
result_items = []
while not result_queue.empty():
result = result_queue.get(timeout=per_sync_timeout)
logging.info('found result[:500]: ' + repr(result)[:500])
if result:
result_items.append(result)
if preserve_result_ordering:
result_items = [work_item for index, work_item in result_items]
return result_items
class ThreadedWorker(threading.Thread):
""" Generic Threaded Worker
Input to work_func: item from work_queue
Example usage:
import Queue
urls_to_process = ["http://url1.com", "http://url2.com", "http://site1.com", "http://site2.com"]
work_queue = Queue.Queue()
result_queue = Queue.Queue()
def process_url(url):
# TODO: Do some work with the url
return url
def main():
# spawn a pool of threads, and pass them queue instance
for i in range(3):
t = ThreadedWorker(work_queue, result_queue, work_func=process_url)
t.setDaemon(True)
t.start()
# populate queue with data
for url in urls_to_process:
work_queue.put(url)
# wait on the queue until everything has been proces
sed
work_queue.join()
# print results
print repr(result_queue)
main()
"""
def __init__(self, work_queue, result_queue, work_func, stop_when_work_queue_empty=True, queue_timeout=1):
threading.Thread.__init__(self)
self.work_queue = work_queue
self.result_queue = result_queue
self.work_func = work_func
self.stop_when_work_queue_empty = stop_when_work_queue_empty
self.queue_timeout = queue_timeout
def should_
continue_running(self):
if self.stop_when_work_queue_empty:
return not self.work_queue.empty()
else:
return True
def run(self):
while self.should_continue_running():
try:
# grabs item from work_queue
work_item = self.work_queue.get(timeout=self.queue_timeout)
# works on item
work_result = self.work_func(work_item)
#place work_result into result_queue
self.result_queue.put(work_result, timeout=self.queue_timeout)
except Queue.Empty:
logging.warning('ThreadedWorker Queue was empty or Queue.get() timed out')
except Queue.Full:
logging.warning('ThreadedWorker Queue was full or Queue.put() timed out')
except:
logging.exception('Error in ThreadedWorker')
finally:
#signals to work_queue that item is done
self.work_queue.task_done()
def start_logging_with_thread_info():
try:
formatter = logging.Formatter('[thread %(thread)-3s] %(message)s')
logging.getLogger().handlers[0].setFormatter(formatter)
except:
logging.exception('Failed to start logging with thread info')
def stop_logging_with_thread_info():
try:
formatter = logging.Formatter('%(message)s')
logging.getLogger().handlers[0].setFormatter(formatter)
except:
logging.exception('Failed to stop logging with thread info')
