Python 3.x 中如何使用multiprocessing模块进行进程间通信

1. Multiprocessing模块简介

Python 3.x中的模块提供了一种便捷的方式来利用多核/多CPU的计算能力，从而提高程序的运行效率。该模块中提供了各种进程间通信的方式，如队列、管道等，以及进程池、锁等工具。

1.1 进程与线程的区别

在并行编程中，针对可并行的任务，我们一般是通过进程或者线程的方式来实现多任务的并行执行。进程与线程的主要区别如下：

进程拥有独立的内存空间，每个进程之间相互独立，互不影响；而线程共享其所在进程的内存空间

每个进程由自己的程序代码、数据集、堆栈和其他系统资源组成；线程通常被定义为进程中的轻量级实体，它们共享进程的上下文，并可使用该上下文中的共享数据及共享句柄等

在进程间通信时，需要使用操作系统提供的IPC(Interprocess Communication)机制，如管道、队列、共享内存等；在同一个进程内的线程间通信，可直接共享变量和对象，或者使用Python提供的线程同步机制，如锁、信号量等

进程的创建、销毁、切换等操作，需要操作系统提供帮助，代价较大；线程的创建、销毁、切换等操作较为轻量级

1.2 Multiprocessing模块的基本介绍

模块提供了类，可用于创建新的进程。具体使用方式如下：

import multiprocessing
def my_function(num):
  print(f"Process {num} started")
  
if __name__ == '__main__':
  p1 = multiprocessing.Process(target=my_function, args=(1,))
  p2 = multiprocessing.Process(target=my_function, args=(2,))
  p1.start()
  p2.start()
  p1.join()
  p2.join()

上述代码创建了两个新的进程，它们分别执行了函数，其中参数表示传递给该函数的参数。需要注意的是，由于模块会自动导入当前文件，因此在多进程代码中需要判断是否处于主进程的代码块中，否则会引起意想不到的问题。

2. 进程间通信

在多进程编程中，常常需要进行进程间通信，以实现数据共享或者协调进程之间的行为。Python中的模块提供了多种进程间通信的方式，如队列、管道、共享内存等。

2.1 队列(Queue)

队列是一种常用的线程同步工具，可用于进程之间的通信。是一个线程安全的队列类，实现了多进程之间的通信。它与类的差别在于，可以跨进程使用。

from multiprocessing import Process, Queue
def worker(q):
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:
            break
        print(item)
if __name__ == "__main__":
    q = Queue()
    p1 = Process(target=worker, args=(q,))
    p2 = Process(target=worker, args=(q,))
    p1.start(); p2.start()
    for i in range(10):
        q.put(i)
    q.put(None)
    q.put(None)
    p1.join(); p2.join()

上述代码中，首先创建了一个对象，并创建了两个进程，它们从队列中读取数据进行处理。主进程将数据放入队列中，并向队列中添加两个，以表示已经将所有数据处理完毕。进程在读取到时，跳出循环退出运行。

2.2 管道(Pipe)

管道是一种常用的进程间通信方式，可实现双向数据传输。管道由队列构成，允许多个进程同时对管道进行读写操作。Python中的模块提供了创建管道的方法。

from multiprocessing import Process, Pipe
def writer(conn, msg):
    conn.send(msg)
    conn.close()
if __name__ == '__main__':
    parent_conn, child_conn = Pipe()
    p = Process(target=writer, args=(child_conn, 'Hello, World!'))
    p.start()
    print(parent_conn.recv())
    p.join()

上述代码中，首先创建了一个管道，然后创建了一个进程，该进程向管道中写入数据，最后主进程从管道中读取数据并打印。

2.3 共享内存(Value、Array)

共享内存是一种高效的进程间通信方式，可以不涉及操作系统调用，直接将一段内存区域映射到多个进程的地址空间中，从而完成数据共享。

from multiprocessing import Process, Value, Array
def f(n, a):
    n.value = 3.1415926
    for i in range(len(a)):
        a[i] *= i
if __name__ == '__main__':
    num = Value('d', 0.0)
    arr = Array('i', range(10))
    p = Process(target=f, args=(num, arr))
    p.start()
    p.join()
    print(num.value)
    print(arr[:])

上述代码中，首先创建了一个对象和一个对象，然后创建了一个进程，该进程将的值设置为3.1415926，将中的每个元素乘以其下标，最后主进程打印和的值。

3. 总结

模块提供了多种进程间通信方式，如队列、管道、共享内存等，可用于协调进程之间的行为或者完成数据共享。我们可以根据具体情况，选择最适合自己的进程间通信方式。需要注意的是，在多进程编程中，由于存在多个进程同时访问共享资源的问题，需要特别注意数据的同步与互斥，以避免出现意想不到的错误。