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雷锋网 AI 科技评论按，本文是工程师 Jim Anderson 分享的关于「经过并发性加快 python 程序的速度」的文案的第三部分，重点内容是 CPU 绑定程序加速关联。
在前面两篇中，咱们已然讲过了关联的概念以及I/O 绑定程序的加速，这篇是这一系列文案的最后一篇，讲的是 CPU 程序加速。雷锋网 AI 科技评论编译整理如下：
怎样加速 CPU 绑定程序
到日前为止，前面的例子都处理了一个 I/O 绑定问题。此刻，你将科研 CPU 绑定的问题。如你所见，I/O 绑定的问题大部分时间都在等待外边操作（如网络调用）完成。另一方面，CPU 限制的问题只执行很少的 I/O 操作，它的总体执行时间取决于它处理所需数据的速度。
在咱们的示例中，咱们将运用一个有点愚蠢的函数来创建有些必须在 CPU 上运行很长期的东西。此函数计算从 0 到传入值的每一个数字的平方和：
你将处理一大批数据，因此这必须一段时间。记住，这只是代码的一个占位符，它实质上做了有些有用的事情，必须海量的处理时间，例如计算公式的根或对大型数据结构进行排序。
CPU 绑定的同步版本
此刻让咱们看一下这个示例的非并发版本：
import time
def cpu_bound(number): return sum(i * i for i in range(number))
def find_sums(numbers):
for number in numbers:
cpu_bound(number)
if __name__ == "__main__":
numbers = [5_000_000 + x for x in range(20)]
start_time = time.time
find_sums(numbers)
duration = time.time - start_time
print(f"Duration {duration} seconds")
此代码调用 cpu_bound 20 次，每次运用区别的大数字。它在单个 CPU 上单个进程中的单个线程上完成所有这些工作。执行时序图如下： 
与 I/O 绑定示例区别，CPU 绑定示例的运行时间一般相当一致。这台设备大约必须 7.8 秒：
显然咱们能够做得更好。这都是在无并发性的单个 CPU 上运行的。让咱们瞧瞧咱们能做些什么来改善它。
线程和异步版本
你认为运用线程或异步重写此代码会加快速度吗？
倘若你回答「一点亦不」，这是有道理的。倘若你回答，「它会减慢速度，」那就更对啦。
原由如下：在上面的 I/O 绑定示例中，大部分时间都花在等待缓慢的操作完成上。线程和异步经过准许你重叠等待的时间而不是按次序执行，这能加快速度。
然则，在 CPU 绑定的问题上，不必须等待。CPU 会尽可能快速地起步以处理问题。在 python 中，线程和任务都在同一进程中的同一个 CPU 上运行。这寓意着一个 CPU 不仅做了非并发代码的所有工作，还必须做线程或任务的额外工作。它花费的时间超过 10 秒：
我已然编写了这个代码的线程版本，并将它与其他示例代码放在 Github repo 中，这般你就能够自己测试它了。
CPU 绑定的多处理版本
此刻，你最终要接触多处理真正与众区别的地区啦。与其他并发库区别，多处理被显式设计为跨多个 CPU 一起承担工作负载。它的执行时序图如下所示： 
它的代码是这般的：
import multiprocessing
import time
def cpu_bound(number): return sum(i * i for i in range(number))
def find_sums(numbers):
with multiprocessing.Pool as pool:
pool.map(cpu_bound, numbers)
if __name__ == "__main__":
numbers = [5_000_000 + x for x in range(20)]
start_time = time.time
find_sums(numbers)
duration = time.time - start_time
print(f"Duration {duration} seconds")
这些代码和非并发版本相比几乎无要更改的。你必要导入多处理，而后把数字循环改为创建多处理.pool 对象，并运用其.map办法在工作进程空闲时将单个数字发送给它们。
这正是你为 I/O 绑定的多处理代码所做的，然则这儿你不必须担心会话对象。
如上所述，处理 multiprocessing.pool构造函数的可选参数值得重视。能够指定要在池中创建和管理的进程对象的数量。默认状况下，它将确定机器中有多少 CPU，并为每一个 CPU 创建一个进程。虽然这针对咱们的简单示例来讲特别有用，但你可能期盼在生产环境它亦能发挥功效。
另一，和咱们在第1节中说到的线程同样，multiprocessing.Pool 的代码是创立在 Queue 和 Semaphore 上的，这针对运用其他语言执行多线程和多处理代码的人来讲是很熟练的。
为何多处理版本很重要
这个例子的多处理版本非常好，由于它相对容易设置，并且只必须很少的额外代码。它还充分利用了计算机中的 CPU 资源。在我的设备上，运行它只必须 2.5 秒：
这比咱们看到的其他办法要好得多。
多处理版本的问题
运用多处理有有些缺点。在这个简单的例子中，这些缺点并无透出来，然则将你的问题分解开来，以便每一个处理器都能独立工作有时是很困难的。另外，许多处理方法必须在流程之间进行更加多的通信，这相比非并发程序来讲会繁杂得多。雷锋网
何时运用并发性
首要，你应该判断是不是应该运用并发模块。虽然这儿的示例使每一个库看起来非常简单，但并发性总是伴同着额外的繁杂性，并且常常会导致难以找到的错误。
保持添加并发性，直到显现已知的性能问题，而后确定必须哪种类型的并发性。正如 DonaldKnuth 所说，「过早的优化是编程中所有劫难（或最少大部分劫难）的根源（Premature optimization is the root of all evil (or at least most of it) in programming）」。
一旦你决定优化你的程序，弄清楚你的程序是 CPU 绑定的还是 I/O 绑定的，这便是下一步要做的事情。记住，I/O 绑定的程序是哪些花费大部分时间等待事情完成的程序，而 CPU 绑定的程序则尽可能快地处理数据。
正如你所看到的，CPU 绑定的问题实质上仅有在运用多处理才可处理。线程和异步基本无帮忙处理这类问题。
针对 I/O 绑定的问题，python 社区中有一个通用的经验规则：「能够运用异步，必要运用线程。」异步能够为这种类型的程序供给最佳的速度，但有时必须某些关键库来利用它。记住，任何不放弃对事件循环掌控的任务都将阻塞所有其他任务。
CPU 绑定加速的内容就到此为止啦，认识更加多请拜访原文！
前面的部分请查看：
怎样利用并发性加速你的python程序（一）：关联概念
怎样利用并发性加速你的python程序（二）：I/O 绑定程序加速
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发表于 2024-8-17 20:53:03