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python多线程比单线程效率低的原因及其解决方案

作者:易爻64

这篇文章主要介绍了python多线程比单线程效率低的原因及其解决方案,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

python多线程比单线程效率低的原因

Python语言的标准实现叫作CPython,它分两步来运行Python程序

步骤1:解析源代码文本,并将其编译成字节码(bytecode)

步骤2:CPython采用基于栈的解释器来运行字节码。

GIL

GIL实际上就是一种互斥锁(mutual-exclusion lock,mutex),用来防止CPython的状态在抢占式的多线程环境(preemptive multithreading)之中受到干扰,因为在这种环境下,一条线程有可能突然打断另一条线程抢占程序的控制权。如果这种抢占行为来得不是时候,那么解释器的状态(例如为垃圾回收工作而设立的引用计数等)就会遭到破坏。

CPython要通过GIL阻止这样的动作,以确保它自身以及它的那些C扩展模块能够正确地执行每一条字节码指令。

GIL会产生一个很不好的影响。在C++与Java这样的语言里面,如果程序之中有多个线程能够分头执行任务,那么就可以把CPU的各个核心充分地利用起来。尽管Python也支持多线程,但这些线程受GIL约束,所以每次或许只能有一条线程向前推进,而无法实现多头并进。

所以,想通过多线程做并行计算或是给程序提速的开发者,恐怕要失望了。

多线程下的线程执行

多线程效率低于单线程原因

如上我们可以知道,在 python中想要某个线程要执行必须先拿到 GIL这把锁,且 python只有一个 GIL,拿到这个 GIL才能进入 CPU执行, 在遇到 I/O操作时会释放这把锁。如果是纯计算的程序,没有 I/O 操作,解释器会每隔 100次操作就释放这把锁,让别的线程有机会 执行(这个次数可以通sys.setcheckinterval来调整)。所以虽然 CPython 的线程库直接封装操作系统的原生线程,但 CPython 进程做为一个整体,同一时间只会有一个获得了 GIL 的线程在跑,其它的线程都处于等待状态等着 GIL 的释放。

而每次释放 GIL锁,线程进行锁竞争、切换线程,会消耗资源。并且由于 GIL锁存在,python里一个进程永远只能同时执行一个线程 (拿到 GIL的线程才能执行 ),这就是为什么在多核 CPU上, python的多线程效率并不高

多线程效率低于或高于单线程原因

相同的代码,为何有时候多线程会比单线程慢,有时又会比单线程快? 这主要跟运行的代码有关:

CPU密集型代码(各种循环处理、计数等等 ),在这种情况下,由于计算工作多, ticks计数很快就会达到 100阈值,然后触发 GIL的释放与再竞争 (多个线程来回切换当然是需要消耗资源的),所以 python下的多线程遇到 CPU密集型代码时,单线程比多线程效率高。

IO密集型代码 (文件处理、网络爬虫等 ),多线程能够有效提升效率单线程下有 IO操作会进行 IO等待,造成不必要的时间浪费。开启多线程能在线程 A等待时,自动切换到线程 B,可以不浪费 CPU的资源,从而能提升程序执行效率 。进行IO密集型的时候可以进行分时切换 所有这个时候多线程快过单线程

如果python想充分利用多核 CPU,可以采用多进程

每个进程有各自独立的 GIL,互不干扰,这样就可以真正意义上的并行执行。

在 python中,多进程的执行效率优于多线程 (仅仅针对多核 CPU而言 )。所以在多核 CPU下,想做并行提升效率,比较通用的方法是使用多进程,能够有效提高执行效率

代码示例:

# 多线程
# 最后完成的线程的耗时
# [TIME MEASURE] execute function: gene_1000_field took 3840.604ms
@time_measure
def mult_thread(rows):
    # 总行数
    rows = rows
    # 线程数
    batch_size = 4
    cell = math.ceil(rows / batch_size)
    # 处理数据生成
    print('数据生成中,线程数:' + str(batch_size))
    threads = []
    for i in range(batch_size):
        starts = i * cell
        ends = (i + 1) * cell
        file = f"my_data_{str(i)}.csv"
        # t = threading.Thread(target=gene_1000_field_test, args=(starts, ends, file))
        t = threading.Thread(target=gene_1000_field, args=(starts, ends, file))
        t.start()
        threads.append(t)
    # for t in threads:
    #     t.join()
# 多进程
# [TIME MEASURE] execute function: gene_1000_field took 1094.776ms
# 执行时间和单个线程的执行时间差不多,目的达到
@time_measure
def mult_process(rows):
    # 总行数
    rows = rows
    # 线程数
    batch_size = 4
    cell = math.ceil(rows / batch_size)
    # 处理数据生成
    print('数据生成中,线程数:' + str(batch_size))
    process = []
    for i in range(batch_size):
        starts = i * cell
        ends = (i + 1) * cell
        file = f"my_data_{str(i)}.csv"
        # p = Process(target=f, args=('bob',))
        # p.start()
        # p_lst.append(p)
        # t = threading.Thread(target=gene_1000_field_test, args=(starts, ends, file))
        p = Process(target=gene_1000_field, args=(starts, ends, file))
        p.start()
        process.append(p)

python中多线程与单线程的对比

# 做一个简单的爬虫:
import threading
import time
import functools
from urllib.request import urlopen
# 写一个时间函数的装饰器
def timeit(f):
    @functools.wraps(f)
    def wrapper(*args,**kwargs):
        start_time=time.time()
        res=f(*args,**kwargs)
        end_time=time.time()
        print("%s函数运行时间:%.2f" % (f.__name__, end_time - start_time))
        return res
    return wrapper
def get_addr(ip):
    url="http://ip-api.com/json/%s"%(ip)
    urlobj=urlopen(url)
    # 服务端返回的页面信息, 此处为字符串类型
    pagecontent=urlobj.read().decode('utf-8')
    # 2. 处理Json数据
    import json
    # 解码: 将json数据格式解码为python可以识别的对象;
    dict_data = json.loads(pagecontent)
    print("""
    ip : %s
    所在城市: %s
    所在国家: %s
    """ % (ip, dict_data['city'], dict_data['country']))
#不使用多线程
@timeit
def main1():
    ips = ['12.13.14.%s' % (i + 1) for i in range(10)]
    for ip in ips:
        get_addr(ip)
# 多线程的方法一
@timeit
def main2():
    ips=['12.13.14.%s'%(i+1) for i in range(10)]
    threads=[]
    for ip in ips:
        t=threading.Thread(target=get_addr,args=(ip,))
        threads.append(t)
        t.start()
    [thread.join() for thread in threads]
# 多线程的方法二
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, ip):
        super(MyThread, self).__init__()
        self.ip = ip
    def run(self):
        url = "http://ip-api.com/json/%s" % (self.ip)
        urlObj = urlopen(url)
        # 服务端返回的页面信息, 此处为字符串类型
        pageContent = urlObj.read().decode('utf-8')
        # 2. 处理Json数据
        import json
        # 解码: 将json数据格式解码为python可以识别的对象;
        dict_data = json.loads(pageContent)
        print("""
                            %s
        所在城市: %s
        所在国家: %s
        """ % (self.ip, dict_data['city'], dict_data['country']))
@timeit
def main3():
    ips = ['12.13.14.%s' % (i + 1) for i in range(10)]
    threads = []
    for ip in ips:
        t = MyThread(ip)
        threads.append(t)
        t.start()
    [thread.join() for thread in threads]
if __name__ == '__main__':
    main1()
    main2()
    main3()

---->输出:
# main1函数运行时间:55.06
# main2函数运行时间:5.64
# main3函数运行时间:11.06

由次可以看出多线程确实速度快了很多,然而这只是适合I/O密集型,当计算密集型中cpu一直在占用的时候,多线程反而更慢。

下面举例

import threading
import time
def my_counter():
    i = 1
    for count in range(200000000):
        i = i + 2*count
    return True
# 采用单线程
@timeit
def main1():
    thread_array = {}
    for tid in range(2):
        t = threading.Thread(target=my_counter)
        t.start()
        t.join()
# 采用多线程
@timeit
def main2():
    thread_array = {}
    for tid in range(2):
        t = threading.Thread(target=my_counter)
        t.start()
        thread_array[tid] = t
    for i in range(2):
        thread_array[i].join()
if __name__ == '__main__':
    main1()
    main2()

----->输出:
main1函数运行时间:27.57
main2函数运行时间:28.19

这个时候就能体现出来多线程适应的场景

总结

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。

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