一行 Python 代碼實現並行

一行 Python 代碼實現並行

Python 在程序並行化方面多少有些聲名狼藉。撇開技術上的問題,例如線程的實現和 GIL,我覺得錯誤的教學指導才是主要問題。常見的經典 Python 多線程、多進程教程多顯得偏"重"。而且往往隔靴搔癢,沒有深入探討日常工作中最有用的內容。

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傳統的例子

簡單搜索下"Python 多線程教程",不難發現幾乎所有的教程都給出涉及類和隊列的例子:

一行 Python 代碼實現並行

哈,看起來有些像 Java 不是嗎?

我並不是說使用生產者/消費者模型處理多線程/多進程任務是錯誤的(事實上,這一模型自有其用武之地)。只是,處理日常腳本任務時我們可以使用更有效率的模型。

問題在於…

首先,你需要一個樣板類;

其次,你需要一個隊列來傳遞對象;

而且,你還需要在通道兩端都構建相應的方法來協助其工作(如果需想要進行雙向通信或是保存結果還需要再引入一個隊列)。

worker 越多,問題越多

按照這一思路,你現在需要一個 worker 線程的線程池。下面是一篇 IBM 經典教程中的例子——在進行網頁檢索時通過多線程進行加速。

一行 Python 代碼實現並行

這段代碼能正確的運行,但仔細看看我們需要做些什麼:構造不同的方法、追蹤一系列的線程,還有為了解決惱人的死鎖問題,我們需要進行一系列的 join 操作。這還只是開始……

至此我們回顧了經典的多線程教程,多少有些空洞不是嗎?樣板化而且易出錯,這樣事倍功半的風格顯然不那麼適合日常使用,好在我們還有更好的方法。

何不試試 map

map 這一小巧精緻的函數是簡捷實現 Python 程序並行化的關鍵。map 源於 Lisp 這類函數式編程語言。它可以通過一個序列實現兩個函數之間的映射。

 urls = ['http://www.yahoo.com', 'http://www.reddit.com']
results = map(urllib2.urlopen, urls)

上面的這兩行代碼將 urls 這一序列中的每個元素作為參數傳遞到 urlopen 方法中,並將所有結果保存到 results 這一列表中。其結果大致相當於:

results = []
for url in urls:
results.append(urllib2.urlopen(url))

map 函數一手包辦了序列操作、參數傳遞和結果保存等一系列的操作。

為什麼這很重要呢?這是因為藉助正確的庫,map 可以輕鬆實現並行化操作。


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在 Python 中有個兩個庫包含了 map 函數: multiprocessing 和它鮮為人知的子庫 multiprocessing.dummy.

這裡多扯兩句: multiprocessing.dummy? mltiprocessing 庫的線程版克隆?這是蝦米?即便在 multiprocessing 庫的官方文檔裡關於這一子庫也只有一句相關描述。而這句描述譯成人話基本就是說:"嘛,有這麼個東西,你知道就成."相信我,這個庫被嚴重低估了!

dummy 是 multiprocessing 模塊的完整克隆,唯一的不同在於 multiprocessing 作用於進程,而 dummy 模塊作用於線程(因此也包括了 Python 所有常見的多線程限制)。

所以替換使用這兩個庫異常容易。你可以針對 IO 密集型任務和 CPU 密集型任務來選擇不同的庫。

動手嘗試

使用下面的兩行代碼來引用包含並行化 map 函數的庫:

from multiprocessing import Pool
from multiprocessing.dummy import Pool as ThreadPool

實例化 Pool 對象:

pool = ThreadPool()

這條簡單的語句替代了 example2.py 中 buildworkerpool 函數 7 行代碼的工作。它生成了一系列的 worker 線程並完成初始化工作、將它們儲存在變量中以方便訪問。

Pool 對象有一些參數,這裡我所需要關注的只是它的第一個參數:processes. 這一參數用於設定線程池中的線程數。其默認值為當前機器 CPU 的核數。

一般來說,執行 CPU 密集型任務時,調用越多的核速度就越快。但是當處理網絡密集型任務時,事情有有些難以預計了,通過實驗來確定線程池的大小才是明智的。

pool = ThreadPool(4) # Sets the pool size to 4

線程數過多時,切換線程所消耗的時間甚至會超過實際工作時間。對於不同的工作,通過嘗試來找到線程池大小的最優值是個不錯的主意。

創建好 Pool 對象後,並行化的程序便呼之欲出了。我們來看看改寫後的 example2.py

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實際起作用的代碼只有 4 行,其中只有一行是關鍵的。map 函數輕而易舉的取代了前文中超過 40 行的例子。為了更有趣一些,我統計了不同方法、不同線程池大小的耗時情況。

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結果:

# Single thread: 14.4 Seconds 
# 4 Pool: 3.1 Seconds
# 8 Pool: 1.4 Seconds
# 13 Pool: 1.3 Seconds

很棒的結果不是嗎?這一結果也說明了為什麼要通過實驗來確定線程池的大小。在我的機器上當線程池大小大於 9 帶來的收益就十分有限了。

另一個真實的例子

生成上千張圖片的縮略圖

這是一個 CPU 密集型的任務,並且十分適合進行並行化。

基礎單進程版本

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上邊這段代碼的主要工作就是將遍歷傳入的文件夾中的圖片文件,一一生成縮略圖,並將這些縮略圖保存到特定文件夾中。

這我的機器上,用這一程序處理 6000 張圖片需要花費 27.9 秒。

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如果我們使用 map 函數來代替 for 循環:

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5.6 秒!

雖然只改動了幾行代碼,我們卻明顯提高了程序的執行速度。在生產環境中,我們可以為 CPU 密集型任務和 IO 密集型任務分別選擇多進程和多線程庫來進一步提高執行速度——這也是解決死鎖問題的良方。此外,由於 map 函數並不支持手動線程管理,反而使得相關的 debug 工作也變得異常簡單。

到這裡,我們就實現了(基本)通過一行 Python 實現並行化。


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