Python中单线程、多线程与多进程的效率对比实验

Python是运行在解释器中的语言,查找资料知道,python中有一个全局锁(GIL),在使用多进程(Thread)的情况下,不能发挥多核的优势。而使用多进程(Multiprocess),则可以发挥多核的优势真正地提高效率。

对比实验

资料显示,如果多线程的进程是CPU密集型的,那多线程并不能有多少效率上的提升,相反还可能会因为线程的频繁切换,导致效率下降,推荐使用多进程;如果是IO密集型,多线程进程可以利用IO阻塞等待时的空闲时间执行其他线程,提升效率。所以我们根据实验对比不同场景的效率

操作系统 CPU 内存 硬盘
Windows 10 双核 8GB 机械硬盘

准备

(1)引入所需要的模块

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import requests
import time
from threading import Thread
from multiprocessing import Process

(2)定义CPU密集的计算函数

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def count(x, y):
# 使程序完成50万计算
c = 0
while c < 500000:
c += 1
x += x
y += y

(3)定义IO密集的文件读写函数

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def write(name=0):
# name: 防止并发写同一个文件;
# concurrence: 保证在不同的并发数下磁盘写入字节数相同
f = open("test-{}.txt".format(name), "w")
for x in range(5000000):
f.write("testwrite\n")
f.close()

def read(name=0):
f = open("test-{}.txt".format(name), "r")
lines = f.readlines()
f.close()

(4)定义网络请求函数

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_head = {
'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/48.0.2564.116 Safari/537.36'}
url = "http://www.tieba.com"
def http_request():
try:
webPage = requests.get(url, headers=_head)
html = webPage.text
return {"context": html}
except Exception as e:
return {"error": e}

单线程测试

(5)测试线性执行IO密集操作、CPU密集操作所需时间、网络请求密集型操作所需时间

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# CPU密集操作
t = time.time()
for x in range(10):
count(1, 1)
print("Line cpu", time.time() - t)

# IO密集操作
t = time.time()
for x in range(10):
write()
read()
print("Line IO", time.time() - t)

# 网络请求密集型操作
t = time.time()
for x in range(10):
http_request()
print("Line Http Request", time.time() - t)

输出

CPU密集 95.6059999466 91.57099986076355 92.52800011634827 99.96799993515015
IO密集 24.25 21.76699995994568 21.769999980926514 22.060999870300293
网络请求密集型 4.519999980926514 8.563999891281128 4.371000051498413 14.671000003814697

多线程测试

(6)测试多线程并发执行CPU密集操作所需时间

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# 列表生成
threads = [Thread(target=count, args=(1,1)) for _ in range(10)]
start = time.time()
for t in threads:
t.start()
for t in threads:
t.join()

print(time.time() - start)
output
99.9240000248
101.26400017738342
102.32200002670288

(7)测试多线程并发执行IO密集操作所需时间

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def io(name):
write(name)
read(name)

start = time.time()
threads = [Thread(target=io, args=(i,)) for i in range(10)]
for t in threads:
t.start()
for t in threads:
t.join()
print(time.time() - start)
Output
84.7796590328
108.204546928

(8)测试多线程并发执行网络密集操作所需时间

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threads = [Thread(target=http_request) for _ in range(10)]
start = time.time()
for t in threads:
t.start()
for t in threads:
t.join()

print("Thread Http Request", time.time() - t)
Output
0.7419998645782471
0.3839998245239258
0.3900001049041748

多进程测试

(9)测试多进程并发执行CPU密集操作所需时间

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p_list = [Process(target=count, args=(1,1)) for _ in range(10)]
start = time.time()
for p in p_list:
p.start()
for p in p_list:
p.join()
print("Multiprocess cpu", time.time() - start)
Output
54.342000007629395
53.437999963760376

(10)测试多进程并发执行IO密集型操作

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p_list = [Process(target=io, args=(i,)) for i in range(10)]
start = time.time()
for p in p_list:
p.start()
for p in p_list:
p.join()

print("Multiprocess IO", time.time() - start)
Output
12.509000062942505
13.059000015258789

(11)测试多进程并发执行Http请求密集型操作

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p_list = [Process(target=http_request) for i in range(10)]
start = time.time()
for p in p_list:
p.start()
for p in p_list:
p.join()

print("Multiprocess Http Request", time.time() - start)
```

|Output|
|:---:|
|0.5329999923706055|
|0.4760000705718994|

---

### 实验结果

| | CPU密集型操作 | IO密集型操作 | 网络请求密集型操作 |
|:--:|:--------------:|:-------------:|:-------------------:|
|线性操作|94.91824996469|22.46199995279|7.3296000004|
|多线程操作|101.1700000762|96.4921029804|0.5053332647|
|多进程操作|53.8899999857|12.7840000391|0.5045000315|

结果中的多线程表现非常奇怪,为什么IO密集型的操作在多线程的场景下反而更慢呢?(感谢读者提出的问题) 我们看一下`write`函数:

```python
def write(name=0):
# name: 防止并发写同一个文件;
# concurrence: 保证在不同的并发数下磁盘写入字节数相同
f = open("test-{}.txt".format(name), "w")
for x in range(5000000):
f.write("testwrite\n")
f.close()

write函数中有5000000个循环,这妥妥的也是cpu密集型,我们把它改造一下:

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data = "\n".join(["testwrite" for i in range(5000)])
def write(name=None):
f = open("test-{}.txt".format(name), "w")
for x in range(1000):
f.write("testwrite\n")
f.close()

使用改造后的函数,重新运行IO密集的测试:

单线程 多线程 多进程
IO耗时 0.0199999 0.02644586 0.1005110740

差异不大,反倒是速度上 单线程 > 多线程 > 多进程,显而易见,磁盘IO并没有被打满,多线程场景下多出的视角应该是线程切换和GIL产生的;多进程场景下的视角增长应该由于进程切换产生的;

虽然磁盘IO上无法完成测试,但是我们佐证了GIL对cpu密集型的多线程影响。

通过上面的结果,我们可以看到:

  • 在CPU密集型的操作下明显地比单线程线性执行性能更差,但是对于网络请求这种忙等阻塞线程的操作,多线程的优势便非常显著了
  • 多进程无论是在CPU密集型还是IO密集型以及网络请求密集型(经常发生线程阻塞的操作)中,都能体现出性能的优势。不过在类似网络请求密集型的操作上,与多线程相差无几,但却更占用CPU等资源,所以对于这种情况下,我们可以选择多线程来执行
    多线程的效果