Учимся писать многопоточные и многопроцессные приложения на Python

Эта статья не для матёрых укротителей Python’а, для которых распутать этот клубок змей — детская забава, а скорее поверхностный обзор многопоточных возможностей для недавно подсевших на питон.

К сожалению по теме многопоточности в Python не так уж много материала на русском языке, а питонеры, которые ничего не слышали, например, про GIL, мне стали попадаться с завидной регулярностью. В этой статье я постараюсь описать самые основные возможности многопоточного питона, расскажу что же такое GIL и как с ним (или без него) жить и многое другое.

Python — очаровательный язык программирования. В нем прекрасно сочетается множество парадигм программирования. Большинство задач, с которыми может встретиться программист, решаются здесь легко, элегантно и лаконично. Но для всех этих задач зачастую достаточно однопоточного решения, а однопоточные программы обычно предсказуемы и легко поддаются отладке. Чего не скажешь о многопоточных и многопроцессных программах.

Многопоточные приложения

В Python есть модуль threading, и в нем есть все, что нужно для многопоточного программирования: тут есть и различного вида локи, и семафор, и механизм событий. Один словом — все, что нужно для подавляющего большинства многопоточных программ. Причем пользоваться всем этим инструментарием достаточно просто. Рассмотрим пример программы, которая запускает 2 потока. Один поток пишет десять “0”, другой — десять “1”, причем строго по-очереди.

import threading

def writer(x, event_for_wait, event_for_set):
    for i in xrange(10):
        event_for_wait.wait() # wait for event
        event_for_wait.clear() # clean event for future
        print x
        event_for_set.set() # set event for neighbor thread

# init events
e1 = threading.Event()
e2 = threading.Event()

# init threads
t1 = threading.Thread(target=writer, args=(0, e1, e2))
t2 = threading.Thread(target=writer, args=(1, e2, e1))

# start threads
t1.start()
t2.start()

e1.set() # initiate the first event

# join threads to the main thread
t1.join()
t2.join()

Никакой магии и voodoo-кода. Код четкий и последовательный. Причем, как можно заметить, мы создали поток из функции. Для небольших задач это очень удобно. Этот код еще и достаточно гибкий. Допустим у нас появился 3-й процесс, который пишет “2”, тогда код будет выглядеть так:

import threading

def writer(x, event_for_wait, event_for_set):
    for i in xrange(10):
        event_for_wait.wait() # wait for event
        event_for_wait.clear() # clean event for future
        print x
        event_for_set.set() # set event for neighbor thread

# init events
e1 = threading.Event()
e2 = threading.Event()
e3 = threading.Event()

# init threads
t1 = threading.Thread(target=writer, args=(0, e1, e2))
t2 = threading.Thread(target=writer, args=(1, e2, e3))
t3 = threading.Thread(target=writer, args=(2, e3, e1))

# start threads
t1.start()
t2.start()
t3.start()

e1.set() # initiate the first event

# join threads to the main thread
t1.join()
t2.join()
t3.join()

Мы добавили новое событие, новый поток и слегка изменили параметры, с которыми
стартуют потоки (можно конечно написать и более общее решение с использованием, например, MapReduce, но это уже выходит за рамки этой статьи).
Как видим по-прежнему никакой магии. Все просто и понятно. Поехали дальше.

Global Interpreter Lock

Существуют две самые распространенные причины использовать потоки: во-первых, для увеличения эффективности использования многоядерной архитектуры cоврменных процессоров, а значит, и производительности программы;
во-вторых, если нам нужно разделить логику работы программы на параллельные полностью или частично асинхронные секции (например, иметь возможность пинговать несколько серверов одновременно).

В первом случае мы сталкиваемся с таким ограничением Python (а точнее основной его реализации CPython), как Global Interpreter Lock (или сокращенно GIL). Концепция GIL заключается в том, что в каждый момент времени только один поток может исполняться процессором. Это сделано для того, чтобы между потоками не было борьбы за отдельные переменные. Исполняемый поток получает доступ по всему окружению. Такая особенность реализации потоков в Python дает значительный прирост производительности в однопоточных приложениях за счет того, что нет необходимости каждый раз получать или освобождать отдельные объекты или переменные. А поскольку большинство программ все еще однопоточные, то использование GIL весьма оправдано.

Здесь есть и еще один тонкий момент. Может показаться, что многопоточное приложение будет работать ровно столько же времени, сколько и однопоточное, делающее то же самое, или за сумму времени исполнения каждого потока на CPU. Но тут нас поджидает коварный race condition (состоянии гонки). В русской википедии этот эффект описан, на мой взгляд, непонятно, поэтому я постараюсь объяснить на следующем примере. Рассмотрим программу:

with open('test1.txt', 'w') as fout:
    for i in xrange(1000000):
        print >> fout, 1

Эта программа просто пишет в файл миллион строк “1” и делает это за ~0.35 секунды на моем компьютере.

Рассмотрим другую программу:

from threading import Thread

def writer(filename, n):
    with open(filename, 'w') as fout:
        for i in xrange(n):
            print >> fout, 1

t1 = Thread(target=writer, args=('test2.txt', 500000,))
t2 = Thread(target=writer, args=('test3.txt', 500000,))

t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()

Эта программа создает 2 потока. В каждом потоке она пишет в отдельный файлик по пол миллиона строк “1”. По-сути объем работы такой же, как и у предыдущей программы. А вот со временем работы тут получается интересный эффект. Программа может работать от 0.7 секунды до аж 7 секунд. Почему же так происходит?

Это происходит из-за того, что когда поток не нуждается в ресурсе CPU — он освобождает GIL, а в этот момент его может попытаться получить и он сам, и другой поток, и еще и главный поток. Это и есть состояние гонки. При этом операционная система, зная, что ядер много, может усугубить все попыткой распределить потоки между ядрами.

«Выходит на Python нельзя писать эффективные многопоточные программы?», — спросите вы. Нет, конечно, выход есть и даже несколько.

Многопроцессные приложения

Для того, чтобы в некотором смысле решить проблему, описанную в предыдущем параграфе, в Python есть модуль subprocess. Мы можем написать программу, которую хотим исполнять в параллельном потоке (на самом деле уже процессе). И запускать ее в одном или нескольких потоках в другой программе. Такой способ действительно ускорил бы работу нашей программы, потому, что потоки, созданные в запускающей программе GIL не забирают, а только ждут завершения запущенного процесса. Однако, в этом способе есть масса проблем. Основная проблема заключается в том, что передавать данные между процессами становится трудно. Пришлось бы как-то сериализовать объекты, налаживать связь через PIPE или друге инструменты, а ведь все это несет неизбежно накладные расходы и код становится сложным для понимания.

Здесь нам может помочь другой подход. В Python есть модуль multiprocessing. По функциональности этот модуль напоминает threading. Например, процессы можно создавать точно так же из обычных функций. Методы работы с процессами почти все те же самые, что и для потоков из модуля threading. А вот для синхронизации процессов и обмена данными принято использовать другие инструменты. Речь идет об очередях (Queue) и каналах (Pipe). Впрочем, аналоги локов, событий и семафоров, которые были в threading, здесь тоже есть.

Кроме того в модуле multiprocessing есть механизм работы с общей памятью. Для этого в модуле есть классы переменной (Value) и массива (Array), которые можно “обобщать” (share) между процессами. Для удобства работы с общими переменными можно использовать классы-менеджеры (Manager). Они более гибкие и удобные в обращении, однако более медленные. Нельзя не отметить приятную возможность делать общими типы из модуля ctypes с помощью модуля multiprocessing.sharedctypes.

Еще в модуле multiprocessing есть механизм создания пулов процессов. Этот механизм очень удобно использовать для реализации шаблона Master-Worker или для реализации параллельного Map (который в некотором смысле является частным случаем Master-Worker).

Из основных проблем работы с модулем multiprocessing стоит отметить относительную платформозависимость этого модуля. Поскольку в разных ОС работа с процессами организована по-разному, то на код накладываются некоторые ограничения. Например, в ОС Windows нет механизма fork, поэтому точку разделения процессов надо оборачивать в:

if __name__ =='__main__':

Впрочем, эта конструкция и так является хорошим тоном.

Что еще ...

Для написания параллельных приложений на Python существуют и другие библиотеки и подходы. Например, можно использовать Hadoop+Python или различные реализации MPI на Python (pyMPI, mpi4py). Можно даже использовать обертки существующих библиотек на С++ или Fortran. Здесь можно было упомянуть про такие фреймфорки/библиотеки, как Pyro, Twisted, Tornado и многие другие. Но это все уже выходит за пределы этой статьи.

Если мой стиль вам понравился, то в следующей статье постараюсь рассказать, как писать простые интерпретаторы на PLY и для чего их можно применять.

Автор: FINTER