Python进阶知识：多进程/多线程/装饰器

本文写作于2025.3.20，恰好作者正好在外面实习，于此同时在实际工作中遇到这些知识点，因此就进行一个简短汇总方便后续回顾，可以直接看第三节

1、简短理解一下什么是多进程/多线程/装饰器和一些基本概念

多进程：指在同一个程序中同时运行多个独立的进程。每个进程都有自己的内存空间和资源，互不干扰。常用在CPU密集型任务中。
比如说：比如你打开了多个浏览器窗口，每个窗口就是一个独立的进程，互不影响。即使一个窗口崩溃，其他窗口也不会受到影响。
多线程：指在同一个进程内同时运行多个线程，多个线程共享同一块内存空间。适合I/O密集型任务（主要涉及到输入输出操作的任务。这些任务的执行时间主要花费在等待IO操作的完成上），线程之间的切换比进程更轻便。
比如说：你在看视频的同时，后台也在下载文件。这些操作都是通过不同的线程完成的，视频播放和下载互不干扰。
装饰器：一种特殊的函数，能在不修改原函数代码的情况下，给函数添加额外的功能。
比如说：在一个函数前后自动记录执行时间或日志，常用 @decorator_name 语法
全局解释器锁（GIL）：它使得任何时刻仅有一个线程在执行。即便在多核心处理器上，使用 GIL 的解释器也只允许同一时间执行一个线程。常见的使用 GIL 的解释器有CPython与Ruby MRI。

2、在实际任务中使用多进程/多线程

假设有一个任务是将8000000个数字1相加，我们提前假设我们已经构建好了这样一个数组，并且我们需要记录一下代码运行需要的时间，普通处理思路：

start_time = time.time()
sum_num = 0
for i in num_list:
    sum_num += i
print(f"Used Time:{time.time()- start_time}")

需要时间：Used Time:0.9650969505310059，那么有一个思路我先去把num_list拆分为8份（因为数字相加并不会冲突，用分块知识解决）然后计算时间 Used Time:0.07107281684875488，但是这样数据计算是串行的（执行完第一块，然后去计算第二块），那么我们可以考虑多线程直接8块一起计算然后将最后结果汇总起来，这样得到的时间为：Used Time:0.09244751930236816，于此同时使用多进程计算得到结果：Used Time:0.854262113571167。这样就会又一个有意思现象，理论上来说多进程，多线程速度应该是都大于常规的分割法，出现这个原因是因为：

1. GIL（全局解释器锁）影响
   • Python 的 ThreadPoolExecutor 受 GIL 限制，多个线程并不会真正并行执行，而是交替运行，因此它比单线程快，但 提升有限。
   • 由于 sum 计算是 CPU 密集型任务，线程池无法充分发挥 CPU 多核优势，导致性能 不如串行分块计算。
2. 进程间通信（IPC）开销
   • ProcessPoolExecutor 会 为每个进程创建独立的 Python 解释器，数据需要 在主进程和子进程之间传输，但 num_list 非常大，导致 数据传输和进程调度成本过高，反而影响性能。
3. 任务拆分的额外开销
   • 由于 sum 操作本身非常简单，计算时间短，线程池和进程池的 管理开销（线程/进程创建、调度、回收）可能超过计算本身的成本，导致整体运行时间反而变长。

用人话来说就是，使用多进程，就需要考虑到通信的花销，用多线程就要考虑到 GIL限制，换言之得到的结论就是：

• 多线程（ThreadPoolExecutor） 适用于 I/O 密集型任务（如文件读写、网络请求），但 CPU 计算任务受 GIL 限制，提升有限。
• 多进程（ProcessPoolExecutor） 适用于 CPU 密集型任务，但数据传输开销大，对 短时间计算任务 可能不适用。

3、如何在代码中使用多进程/多线程/装饰器

1、多线程使用

多线程使用方式比较简单，以下面例子为例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
with ThreadPoolExecutor(max_workers= n) as executor:
    futures = [executor.submit(sum, chunk) for chunk in chunks]  # 提交任务
    results = [future.result() for future in as_completed(futures)]  # 获取结果

当软还有另外一种执行方式：

import threading
thread_1 = threading.Thread(target= sum)
thread_2 = threading.Thread(target= sum)

thread_1.start()
thread_2.start()

thread_1.join()
thread_2.join()

第一种相对而言比较简单（自动管理线程），而第二种需要我去创建多个进程，然后对不同进程之间进行 start() 以及 join()，实际使用如果是一个长期执行任务可以用 threading.Thread（比如说要一致保持摄像头开启就可以直接 threading.Thread(target=video_capture_thread, daemon=True).start() ）而并行任务可以选择 ThreadPoolExecutor不用去手动创建

一般来说使用过程中只需要注意如下几个操作：1、向你创建的进程中提交任务（提交的内容是：你要进行计算的函数，函数所需要的参数）；2、获取你提交任务所得到的结果（因为是多线程，因此返回得到的结果也就是不同线程的结果）
需要注意的就是下面几个内容：1、submit 提交你的任务；2、as_completed 执行你的任务
不过需要小心的一点是，使用多线程，需要保证 thread-safe（线程安全），比如说同时向一个文件里面写入时候，我通过使用LLM的api执行时候，我有一个较长的文本，先将他拆分（保证是模型的最大允许输入），然后“一次性”（假设的是线程数量恰好和分割数量一致）将其进行api访问（这样时间消耗肯定比普通的要少）将处理结果然后写入到一个文件中就需要考虑进程锁问题，因为所有任务结果都写入同一个问题可能会导致 进程冲突，比如说：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import time

def llm_api_result(num):
    time.sleep(2)
    return f"{num}"*100

def write_to_file(num):
    content = f"Thread-{num}: " + llm_api_result(num)
    with open("./output-without-lock.txt", "a", encoding= "utf-8") as f:
        f.write(content)
        f.write("\n")

def main():
    with ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
        futures = [executor.submit(write_to_file, num) for num in range(10)]
        for future in futures:
            future.result()

if __name__ == "__main__":
    start_time = time.time()
    main()
    print("Used Time:", time.time()- start_time)

这样一来得到的结果为：

但是上面代码中并没有对进程加锁（lock = threading.Lock()），但是结果还是可以正常（write是一个 原子操作 ）写入（有时候会出现遗漏掉内容），但是写入顺序是不对的。

原子操作（atomic operation） 指的是 不可被中断的操作，它要么 完整执行，要么 完全不执行

将代码改为下面代码，通过使用进程锁来保护原子操作：

import threading
lock = threading.Lock()
def write_to_file(num):
    content = f"Thread-{num}: " + llm_api_result(num)
    with lock:
        with open("output-with-lock.txt", "a", encoding="utf-8") as f:
            f.write(content)
            f.write("\n")

这样一来就可以正常写入结果

2、多进程使用

Python 的 multiprocessing 模块基于 fork 或 spawn 机制，可以创建多个独立进程，让它们并行执行任务，从而绕过GIL（全局解释器锁），提高 CPU 密集型任务的性能（数学运算、数据处理等）。使用起来也比较简单

一个具体例子：

import time
import multiprocessing
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor, ThreadPoolExecutor

# 计算斐波那契数列的函数
def fibonacci(n):
    if n <= 1:
        return n
    else:
        return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)

def single_process():
    start_time = time.time()
    for _ in range(4):
        fibonacci(35)
    end_time = time.time()
    print(f"Single-process time: {end_time - start_time:.2f} seconds")

def multi_thread():
    start_time = time.time()
    with ThreadPoolExecutor(max_workers= 4) as executor:
        futures = [executor.submit(fibonacci, 35) for _ in range(4)]
        result = [future.result() for future in futures]
    end_time = time.time()
    print(f"Multi-thread time: {end_time - start_time:.2f} seconds")

def multi_process1():
    start_time = time.time()
    processes = []
    for _ in range(4):
        process = multiprocessing.Process(target=fibonacci, args=(35,))
        processes.append(process)
        process.start()
    for process in processes:
        process.join()
    end_time = time.time()
    print(f"Multi-process-1 time: {end_time - start_time:.2f} seconds")

def multi_process2():
    start_time = time.time()
    with ProcessPoolExecutor(max_workers= 4) as executor:
        futures = [executor.submit(fibonacci, 35) for _ in range(4)]
        result = [future.result() for future in futures]
    end_time = time.time()
    print(f"Multi-process-2 time: {end_time - start_time:.2f} seconds")

if __name__ == "__main__":
    single_process()
    multi_thread()
    multi_process1()
    multi_process2()

Single-process time: 8.93 seconds
Multi-thread time: 9.89 seconds
Multi-process-1 time: 3.81 seconds
Multi-process-2 time: 3.67 seconds

python里面使用多进程和多线程代码上没有多大区别，只不过使用多进程需要注意的是上面代码使用必须（在window系统上）要用到下面代码，但是linux系统就没有这个问题，这是因为两种启动进程的方式是不同的。

if __name__ == "__main__":

这是因为创建子进程时，会重新导入主模块。如果不将多进程代码放在 if __name__ == "__main__": 块中，可能会导致递归创建子进程，甚至引发程序崩溃。更加底层的原因可以直接参考python官方解释。更加进一步的理解 python多进程

首先在 Python 的多进程编程中，进程之间是相互独立的，它们不能直接共享内存。为了在不同的进程之间传递数据，通常需要将数据序列化为字节流，然后在目标进程中反序列化。pickle（更加详细描述🔗） 就是用来完成这个任务的，言外之意就是说需要通过 pickle 来将不同进程之间进行传递数据。比如说：

import multiprocessing

def square(number):
    return number ​** 2

if __name__ == "__main__":
    numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
    # 创建一个进程池，使用 4 个子进程
    with multiprocessing.Pool(processes=4) as pool:
        # 使用 map 方法将 square 函数应用到 numbers 列表中的每个元素
        # map 方法会将任务分配给子进程并行执行
        results = pool.map(square, numbers)
    print("原始列表:", numbers)
    print("平方结果:", results)

上面例子中 pickle（multiprocessing 模块会自动使用 pickle 来序列化（一般而言：基本数据类型，列表，元组，字典等容器类型，自定义类的实例，函数（但不包括函数中引用的外部对象，如文件对象、数据库连接等））和反序列化）如下内容：square 函数（传递给子进程）。numbers 列表（传递给子进程）。results 列表（从子进程返回给主进程）。

3、装饰器

装饰器（Decorator）是一种用于修改函数或类行为的高级 Python 语法。它本质上是一个高阶函数，可以在不修改原函数代码的情况下，动态地添加功能。主要作用减少重复代码等，说人话就是将函数作为一种参数输入到函数中。使用方法很简单直接在需要使用的函数上面添加 @装饰器 即可。
比如说，要计算一个函数运行时间一般而言会通过：

import time

def test():
    print("Hello!")

def main():
    start_time = time.time()
    test()
    print(f"Used Time: {time.time()- start_time}")

但是如果定义一个计算时间函数，比如说：

def com_time(func):
    start_time = time.time()
    func()
    print(f"Used Time: {time.time()- start_time}")

def main():
    com_time(test)

这个里面就是将函数 test 作为一个参数进行输入，更加简便的方法就是直接使用装饰器，比如说：

def com_time(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()  # 记录开始时间
        result = func(*args, **kwargs)  # 执行被装饰的函数
        print(f"Used Time: {time.time() - start_time:.4f} 秒")  # 计算并输出执行时间
        return result
    return wrapper

@com_time # 等价于 com_time(test)
def test():
    time.sleep(0.5)
    print("Hello!")

def main():
    test()

值得注意的是，如果直接下面定义：

def com_time(func):
    start_time = time.time()
    func()
    print(f"Used Time: {time.time()- start_time}")

会出现错误，这是因为装饰器中的代码逻辑。具体来说，你在装饰器内部直接调用了 func()，而装饰器的正确用法应该是返回一个包装函数，来替代原函数的执行

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Python一些特殊属性

• 1. 对象和类的特殊属性（这些属性通常出现在 类 和 对象 中）

属性	作用
__dict__	返回对象的属性字典（仅适用于具有 __dict__ 的对象）。
__class__	获取对象的类。
__bases__	获取类的所有基类（仅适用于类）。
__name__	返回类或模块的名称。
__module__	指示类定义所在的模块。
__mro__	返回方法解析顺序（Method Resolution Order）。

• 1. 模块和文件的特殊属性（这些属性通常用于 模块 和 文件 级别）

属性	作用
__file__	返回模块的文件路径（仅适用于 Python 脚本）。
__name__	返回模块的名称，主程序运行时返回 "__main__"。
__package__	返回模块的包名，若模块不是包的一部分，则为 None。
__doc__	返回模块、类或函数的文档字符串（Docstring）。
__annotations__	返回函数的参数和返回值的注解字典。

• 1. 运行时相关的特殊属性（这些属性与 Python 运行时 有关）

属性	作用
__import__	负责导入模块（通常使用 import 语句，而不是直接调用）。
__builtins__	包含 Python 内置函数和异常的模块。
__debug__	Python 运行时的 debug 模式，默认值为 True。
__loader__	加载模块的加载器对象。

• 1. 方法相关的特殊属性（这些属性主要与 方法 相关）

属性	作用
__call__	使对象变为可调用（可重载 __call__ 方法）。
__getitem__	允许对象使用 obj[key] 访问（可重载 __getitem__）。
__setitem__	允许对象使用 obj[key] = value 赋值（可重载 __setitem__）。
__delitem__	允许对象使用 del obj[key] 删除元素（可重载 __delitem__）。
__len__	允许对象使用 len(obj) 获取长度（可重载 __len__）。
__repr__	返回对象的官方字符串表示，用于 repr(obj)。
__str__	返回对象的可读字符串表示，用于 str(obj) 或 print(obj)。

class Test():
    def __init__(self, age):
        self.age = age
    
    def add(self):
        '''加一'''
        return self.age+ 1

test = Test(13)
test.__dict__['name'] = 'https://www.big-yellow-j.top/'
print(test.name)
print(test.add.__name__)
print(test.add.__doc__)

https://www.big-yellow-j.top/
add
加一

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一些Python内置的装饰器:
1、@staticmethod：定义静态方法，无须实例化即可调用
2、@classmethod：定义类方法，可以访问类变量
3、@property：将方法转换为属性

比如说：

class Person:
    place= 'bj' # 类变量（所有实例共享）

    def __init__(self, name):
        self.name = name
    
    @staticmethod
    def age1(age):
        print(f"{age}")
    
    @classmethod
    def new_place(cls, new):
        cls.place = new

    def age2(self, age):
        print(f"{self.name}:{age} from {self.place}")
    
    def age3(self, age):
        if age>= 20:
            Person.new_place('sh')
        print(f"{self.name}:{age} from {self.__class__.place}")

Person.age1(13)
Person("Tom").age2(13)
Person("Tom").age3(23)

13
Tom:13 from bj
Tom:23 from sh

但是切换顺序：

Person.age1(13)
Person("Tom").age3(23)
Person("Tom").age2(13)

13
Tom:23 from sh
Tom:13 from sh

这是因为使用age3时候就将类变量进行了修改，还有一些装饰器比如pytoch里面有些要不进行梯度更新，除了使用with torch.no_grad()可以直接用@torch.no_grad()（这个一般就是在类里面加一个这个（比如生成内容，一般就不需要更新梯度））

结论

解释了python里面的 多进程/多线程/装饰器。更加详细准确直接去看 官方文档！！！！链接：https://docs.python.org/zh-cn/3.12

值得注意的是

1、在使用多进程时候，如果遇到无法 pickle 问题如何处理

比如说在使用百度OCR工具（Win电脑上测试）时候，如果设置不当就会遇到：TypeError: cannot pickle 'paddle.base.libpaddle.PaddleInferPredictor' object，比如说你的代码（省略很多内容）如下：

def main_process():
    ...
    ocr = PaddleOCR(
        det_model_dir="./ch_PP-OCRv4_det_infer",
        rec_model_dir="./ch_PP-OCRv4_rec_infer",
        use_angle_cls=True,
        lang="en",
        use_gpu=True
    )
    with ProcessPoolExecutor(max_workers= max_workers) as executor:
        futures = {executor.submit(process_region, ..., ocr)
                   for region_idx, region in enumerate(detection_region)}
        ...
def process_region(..., ocr):
    ...
    ocr_result = ocr.ocr(roi, cls=True)
    ...

一个比较简单处理办法就是在 ProcessPoolExecutor中添加一个 initializer参数保证：它会在每个工作进程启动时被调用。那么代码为：

def init_worker():
    global ocr
    ocr = PaddleOCR(
        det_model_dir="./ch_PP-OCRv4_det_infer",
        rec_model_dir="./ch_PP-OCRv4_rec_infer",
        use_angle_cls=True,
        lang="en",
        log_level='ERROR'
    )
def main_process():
    ...
    with ProcessPoolExecutor(max_workers= max_workers, initializer= init_worker) as executor:
        futures = {executor.submit(process_region, ..., ocr)
                   for region_idx, region in enumerate(detection_region)}
def process_region(..., ocr):
    global ocr
    ...
    ocr_result = ocr.ocr(roi, cls=True)
    ...

---

这里面还有另外一个注意点：如果所有的子进程都要加载同一个内容，就会发生冲突这个需要避免，比如说在process_region里面使用

  ocr = PaddleOCR(
      det_model_dir="./ch_PP-OCRv4_det_infer",
      rec_model_dir="./ch_PP-OCRv4_rec_infer",
      use_angle_cls=True,
      lang="en",
      use_gpu=True
  )

所有的进程都需要加载同一个文件夹，这里就会出现错误

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参考

1、https://docs.python.org/zh-cn/3.13/library/concurrent.futures.html
2、https://docs.python.org/zh-cn/3.13/library/threading.html
3、https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%85%A8%E5%B1%80%E8%A7%A3%E9%87%8A%E5%99%A8%E9%94%81
4、https://zh.wikipedia.org/wiki/CPU%E5%AF%86%E9%9B%86%E5%9E%8B
5、https://docs.python.org/zh-cn/3.13/library/multiprocessing.html
6、https://docs.python.org/zh-cn/3.12/library/pickle.html
7、https://docs.python.org/zh-cn/3.12/library/stdtypes.html#definition.name