Python并发编程实践指南

1. 线程与进程基础

1.1 线程与进程的定义

线程是程序执行的最小单元，进程是资源分配的最小单位。每个进程可以包含多个线程，而每个线程在执行时会独占CPU。与进程不同，线程共享进程的地址空间和资源，这使得线程切换更加高效。

1.2 GIL锁的作用

在Python中，Global Interpreter Lock（GIL）用于限制同一进程中同时执行的线程数量。GIL在执行100条指令后切换线程，确保线程安全。默认情况下，GIL锁会在每个进程中限制同时运行的线程数量。

1.3 线程创建的意义

线程的主要作用是利用多核CPU的优势实现并行执行。通过创建多个线程，可以同时处理多个任务，提高系统性能。

1.4 进程与线程的区别

进程：资源分配的最小单位，拥有独立的地址空间。

线程：程序执行的最小单位，共享进程的地址空间。

线程切换成本低，但线程间通信需要同步机制。进程间通信则需要通过 IPC（进程间通信）实现。

2. 多线程与多进程的选择

2.1 多线程适用场景

IO密集型任务：由于GIL锁的限制，多线程在IO操作上效率较高。

计算密集型任务：多线程无法充分利用多核优势，通常选择多进程。

2.2 多进程适用场景

计算密集型任务：多进程可以更好地利用多核资源。

IO密集型任务：虽然多进程在IO操作上效率较低，但在内存分配和资源隔离方面更具优势。

3. 协程与并发优化

3.1 协程的定义

协程是一种微线程，由程序员手动控制线程切换。与线程不同，协程是在代码块之间进行切换，而不是逐行执行。

3.2 协程的优缺点

优点：协程可以在不等待IO操作的情况下进行切换，提升并发性能。

缺点：协程本身无法实现真正的并发，性能可能低于多线程或多进程。

4. IO多路复用技术

4.1 IO多路复用的作用

IO多路复用用于检测多个socket是否有数据到来或连接请求。它支持三种模式：select、poll和epoll，适用于不同的IO调度需求。

4.2 Python中IO多路复用实现

select：支持最多1024个socket，使用轮询方式检测socket状态。

epoll：支持无限多个socket，采用回调机制实现边缘触发。

5. 异步与非阻塞编程

5.1 异步编程的概念

异步编程允许程序在执行IO操作时立即返回，并自动执行后续操作。与同步编程不同，异步操作不会阻塞当前线程。

5.2 非阻塞IO的实现

通过设置socket的非阻塞属性（setblocking(False)），可以避免等待IO操作。但需处理可能的BlockingIOError异常。

6. 协程与事件驱动框架

6.1 协程框架的优势

协程框架（如gevent）通过自动切换线程实现IO非阻塞，提升了并发性能。

6.2 事件驱动框架的特点

事件驱动框架（如Twisted）通过事件循环实现异步编程，执行完成后自动调用回调函数。

7. 并发优化方案

7.1 多进程与多线程

多进程：适合计算密集型任务，资源隔离更好。

多线程：适合IO密集型任务，内存占用更低。

7.2 单线程并发

单线程通过IO多路复用和非阻塞socket实现并发，适用于资源受限的环境。

8. 基于事件循环的异步编程

8.1 代码示例

import socketimport select# 创建三个socket对象并设置为非阻塞client_baidu = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)client_baidu.setblocking(False)client_sogou = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)client_sogou.setblocking(False)client_github = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)client_github.setblocking(False)# 初始化事件循环socket_list = [client_baidu, client_sogou, client_github]conn_list = [client_baidu, client_sogou, client_github]while True:    rlist, wlist, elist = select.select(socket_list, conn_list, [], 0.5)        for sk in wlist:        if sk == client_baidu:            sk.sendall(b'GET /s?wd=alex HTTP/1.0\r\nhost:www.baidu.com\r\n\r\n')        elif sk == client_sogou:            sk.sendall(b'GET /web?query=fdf HTTP/1.0\r\nhost:www.sogou.com\r\n\r\n')        else:            sk.sendall(b'GET /s?wd=alex HTTP/1.0\r\nhost:www.oldboyedu.com\r\n\r\n')        conn_list.remove(sk)        for sk in rlist:        chunks = []        while True:            try:                chunk = sk.recv(8096)                if not chunk:                    break                chunks.append(chunk)            except BlockingIOError:                break        body = b''.join(chunks)        print('Download complete:', body.decode('utf-8'))        sk.close()        socket_list.remove(sk)        if not socket_list:        break