Python Futures并发编程详解

无论哪门编程语言，并发编程都是一项很常用很重要的技巧。例如，爬虫就被广泛应用在工业界的各个领域，我们每天在各个网站、各个 App 上获取的新闻信息，很大一部分便是通过并发编程版的爬虫获得。

正确合理地使用并发编程，无疑会给程序带来极大的性能提升。因此，本节就带领大家一起学习 Python 中的 Futures 并发编程。首先，先带领大家从代码的角度来理解并发编程中的 Futures，并进一步来比较其与单线程的性能区别。

假设有这样一个任务，要下载一些网站的内容并打印，如果用单线程的方式，它的代码实现如下所示（为了突出主题，对代码做了简化，忽略了异常处理）：

import requests
import time

def download_one(url):
    resp = requests.get(url)
    print('Read {} from {}'.format(len(resp.content), url))
   
def download_all(sites):
    for site in sites:
        download_one(site)

def main():
    sites = [
        'http://c.biancheng.net',
        'http://c.biancheng.net/c',
        'http://c.biancheng.net/python'
    ]
    start_time = time.perf_counter()
    download_all(sites)
    end_time = time.perf_counter()
    print('Download {} sites in {} seconds'.format(len(sites), end_time - start_time))
   
if __name__ == '__main__':
    main()

输出结果为：

Read 52053 from http://c.biancheng.net
Read 30718 from http://c.biancheng.net/c
Read 34470 from http://c.biancheng.net/python
Download 3 sites in 0.3537296 seconds

注意，此程序中，requests 模块需单独安装，可通过执行 pip install requests 命令进行安装。

这种方式应该是最直接也最简单的：

• 先是遍历存储网站的列表；
• 然后对当前网站执行下载操作；
• 等到当前操作完成后，再对下一个网站进行同样的操作，一直到结束。

可以看到，总共耗时约 0.35s。单线程的优点是简单明了，但是明显效率低下，因为上述程序的绝大多数时间都浪费在了 I/O 等待上。程序每次对一个网站执行下载操作，都必须等到前一个网站下载完成后才能开始。如果放在实际生产环境中，我们需要下载的网站数量至少是以万为单位的，不难想象，这种方案根本行不通。

接着再来看多线程版本的代码实现：

import concurrent.futures
import requests
import threading
import time

def download_one(url):
    resp = requests.get(url)
    print('Read {} from {}'.format(len(resp.content), url))

def download_all(sites):
    with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
        executor.map(download_one, sites)

def main():
    sites = [
        'http://c.biancheng.net',
        'http://c.biancheng.net/c',
        'http://c.biancheng.net/python'
    ]
    start_time = time.perf_counter()
    download_all(sites)
    end_time = time.perf_counter()
    print('Download {} sites in {} seconds'.format(len(sites), end_time - start_time))

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果为：

Read 52053 from http://c.biancheng.net
Read 30718 from http://c.biancheng.net/c
Read 34470 from http://c.biancheng.net/python

Download 3 sites in 0.1606366 seconds

可以看到，总耗时是 0.2s 左右，效率一下子提升了很多。

注意，虽然线程的数量可以自己定义，但是线程数并不是越多越好，因为线程的创建、维护和删除也会有一定的开销，所以如果设置的很大，反而可能会导致速度变慢。我们往往需要根据实际的需求做一些测试，来寻找最优的线程数量。

上面两段代码中，多线程版本和单线程版的主要区别在于如下代码：

with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
    executor.map(download_one, sites)

这里创建了一个线程池，总共有 5 个线程可以分配使用。executer.map() 与前面所讲的 Python 内置的 map() 函数类似，表示对 sites 中的每一个元素并发地调用函数 download_one()。

在 download_one() 函数中使用的 requests.get() 方法是线程安全的，在多线程的环境下也可以安全使用，不会出现条件竞争（多个线程同时竞争使用同一资源）的情况。

当然，也可以用并行的方式去提高程序运行效率，只需要在 download_all() 函数中做出下面的变化即可：

with futures.ThreadPoolExecutor(workers) as executor
#=>
with futures.ProcessPoolExecutor() as executor:

这部分代码中，函数 ProcessPoolExecutor() 表示创建进程池，使用多个进程并行的执行程序。不过，这里通常省略参数 workers，因为系统会自动返回 CPU 的数量作为可以调用的进程数。

但是，并行的方式一般用在 CPU heavy 的场景中，因为对于 I/O heavy 的操作，多数时间都会用于等待，相比于多线程，使用多进程并不会提升效率。反而很多时候，因为 CPU 数量的限制，会导致其执行效率不如多线程版本。

什么是Futures？

Python Futures 模块，位于 concurrent.futures 和 asyncio 中，它们都表示带有延迟的操作。Futures 会将处于等待状态的操作包裹起来放到队列中，这些操作的状态随时可以查询，当然它们的结果（或是异常）也能够在操作完成后被获取。

通常来说，用户不用考虑如何去创建 Futures，这些 Futures 底层都会帮我们处理好，唯一要做的只是去设定这些 Futures 的执行。比如，Futures 中的 Executor 类，当执行 executor.submit(func) 时，它便会安排里面的 func() 函数执行，并返回创建好的 future 实例，以便之后查询调用。

这里再介绍一些常用的函数。比如 Futures 中的方法 done()，表示相对应的操作是否完成，返回 True 表示完成；返回 False 表示没有完成。不过要注意的是，done() 是非阻塞的，会立即返回结果。相对应的 add_done_callback(fn)，则表示 Futures 完成后，相对应的参数函数 fn 会被通知并执行调用。

Futures 中还有一个重要的函数 result()，它表示当 future 完成后，返回其对应的结果或异常。而 as_completed(fs)，则是针对给定的 future 迭代器 fs，在其完成后返回完成后的迭代器。

所以，上述例子也可以写成下面的形式：

import concurrent.futures
import requests
import time

def download_one(url):
    resp = requests.get(url)
    print('Read {} from {}'.format(len(resp.content), url))

def download_all(sites):
    with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
        to_do = []
        for site in sites:
            future = executor.submit(download_one, site)
            to_do.append(future)
           
        for future in concurrent.futures.as_completed(to_do):
            future.result()
def main():
    sites = [
        'http://c.biancheng.net',
        'http://c.biancheng.net/c',
        'http://c.biancheng.net/python'
    ]
    start_time = time.perf_counter()
    download_all(sites)
    end_time = time.perf_counter()
    print('Download {} sites in {} seconds'.format(len(sites), end_time - start_time))

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果为：

Read 52053 from http://c.biancheng.net
Read 34470 from http://c.biancheng.net/python
Read 30718 from http://c.biancheng.net/c

Download 3 sites in 0.2275894 seconds

此程序中，首先调用 executor.submit()，将下载每一个网站的内容都放进 future 队列 to_do 等待执行。然后是 as_completed() 函数在 future 完成后便输出结果。

不过，这里要注意，future 列表中每个 future 完成的顺序和它在列表中的顺序并不一定完全一致。到底哪个先完成、哪个后完成，取决于系统的调度和每个 future 的执行时间。