Python基础篇（十三）-- 进程和线程

        进程和线程主要是操作系统的概念，本篇来看看如何在Python中实现多线程和多进程操作。

        今天我们使用的计算机早已进入多CPU或多核时代，而我们使用的操作系统都是支持“多任务”的操作系统，这使得我们可以同时运行多个程序，也可以将一个程序分解为若干个相对独立的子任务，让多个子任务并发的执行，从而缩短程序的执行时间，同时也让用户获得更好的体验。因此在当下不管是用什么编程语言进行开发，实现让程序同时执行多个任务也就是常说的“并发编程”，应该是程序员必备技能之一。

1 进程和线程

1.1 基本概念

        进程就是操作系统中执行的一个程序，操作系统以进程为单位分配存储空间，每个进程都有自己的地址空间、数据栈以及其他用于跟踪进程执行的辅助数据，操作系统管理所有进程的执行，为它们合理的分配资源。进程可以通过fork或spawn的方式来创建新的进程来执行其他的任务，不过新的进程也有自己独立的内存空间，因此必须通过进程间通信机制（IPC，Inter-Process Communication）来实现数据共享，具体的方式包括管道、信号、套接字、共享内存区等。

        一个进程还可以拥有多个并发的执行线索，简单的说就是拥有多个可以获得CPU调度的执行单元，这就是所谓的线程。由于线程在同一个进程下，它们可以共享相同的上下文，因此相对于进程而言，线程间的信息共享和通信更加容易。当然在单核CPU系统中，真正的并发是不可能的，因为在某个时刻能够获得CPU的只有唯一的一个线程，多个线程共享了CPU的执行时间。使用多线程实现并发编程为程序带来的好处是不言而喻的，最主要的体现在提升程序的性能和改善用户体验，今天我们使用的软件几乎都用到了多线程技术，这一点可以利用系统自带的进程监控工具（如macOS中的“活动监视器”、Windows中的“任务管理器”）来证实，如下图所示。

        当然多线程也并不是没有坏处，站在其他进程的角度，多线程的程序对其他程序并不友好，因为它占用了更多的CPU执行时间，导致其他程序无法获得足够的CPU执行时间；另一方面，站在开发者的角度，编写和调试多线程的程序都对开发者有较高的要求，对于初学者来说更加困难。

        Python既支持多进程又支持多线程，因此使用Python实现并发编程主要有3种方式：多进程、多线程、多进程+多线程。

1.2 Python中的多进程

        Unix和Linux操作系统上提供了fork()系统调用来创建进程，调用fork()函数的是父进程，创建出的是子进程，子进程是父进程的一个拷贝，但是子进程拥有自己的PID。fork()函数非常特殊它会返回两次，父进程中可以通过fork()函数的返回值得到子进程的PID，而子进程中的返回值永远都是0。Python的os模块提供了fork()函数。由于Windows系统没有fork()调用，因此要实现跨平台的多进程编程，可以使用multiprocessing模块的Process类来创建子进程，而且该模块还提供了更高级的封装，例如批量启动进程的进程池（Pool）、用于进程间通信的队列（Queue）和管道（Pipe）等。

        下面用一个下载文件的例子来说明使用多进程和不使用多进程到底有什么差别，先看看下面的代码。

from random import randint
from time import time, sleep


def download_task(filename):
    print(f'开始下载{filename}...')
    time_to_download = randint(5, 10)
    sleep(time_to_download)
    print(f'{filename}下载完成！耗费了{time_to_download}秒')


def main():
    start = time()
    download_task("Python从入门到放弃.pdf")
    download_task('Peking Hot.avi')
    end = time()
    print('总共耗费了%.2f秒' % (end - start))


if __name__ == '__main__':
    main()
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        下面是运行程序得到的一次运行结果。

开始下载Python从入门到放弃.pdf…
Python从入门到放弃.pdf下载完成！耗费了8秒
开始下载Peking Hot.avi…
Peking Hot.avi下载完成！耗费了6秒
总共耗费了14.02秒

        从上面的例子可以看出，如果程序中的代码只能按顺序一点点的往下执行，那么即使执行两个毫不相关的下载任务，也需要先等待一个文件下载完成后才能开始下一个下载任务，很显然这并不合理也没有效率。接下来我们使用多进程的方式将两个下载任务放到不同的进程中，代码如下所示。

from multiprocessing import Process
from os import getpid
from random import randint
from time import time, sleep


def download_task(filename):
    print('启动下载进程，进程号[%d].' % getpid())
    print(f'开始下载{filename}...')
    time_to_download = randint(5, 10)
    sleep(time_to_download)
    print("%s下载完成！耗费了%d秒" % (filename, time_to_download))


def main():
    start = time()
    p1 = Process(target=download_task, args=('Python从入门到放弃.pdf', ))
    p1.start()
    p2 = Process(target=download_task, args=('Peking Hot.avi', ))
    p2.start()
    p1.join()
    p2.join()
    end = time()
    print('总共耗费了%.2f秒' % (end - start))


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        在上面的代码中，我们通过Process类创建了进程对象，通过target参数我们传入一个函数来表示进程启动后要执行的代码，后面的args是一个元组，它代表了传递给函数的参数。Process对象的start方法用来启动进程，而join方法表示等待进程执行结束。运行上面的代码可以明显发现两个下载任务“同时”启动了，而且程序的执行时间将大大缩短，不再是两个任务的时间总和。下面是程序的一次执行结果。

启动下载进程，进程号[23644].
启动下载进程，进程号[31560].
开始下载Python从入门到放弃.pdf…
开始下载Peking Hot.avi…
Peking Hot.avi下载完成！耗费了5秒
Python从入门到放弃.pdf下载完成！耗费了7秒
总共耗费了7.09秒

1.3 Python中的多线程

        在Python早期的版本中就引入了thread模块（现在名为_thread）来实现多线程编程，然而该模块过于底层，而且很多功能都没有提供，因此目前的多线程开发我们推荐使用threading模块，该模块对多线程编程提供了更好的面向对象的封装。我们把刚才下载文件的例子用多线程的方式来实现一遍。

from random import randint
from threading import Thread
from time import time, sleep


def download(filename):
    print('开始下载%s...' % filename)
    time_to_download = randint(5, 10)
    sleep(time_to_download)
    print('%s下载完成！耗费了%d秒' % (filename, time_to_download))


def main():
    start = time()
    t1 = Thread(target=download, args=('Python从入门到住院.pdf', ))
    t1.start()
    t2 = Thread(target=download, args=('Peking Hot.avi', ))
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    end = time()
    print('总共耗费了%.3f秒' % (end - start))


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        既可以直接使用threading模块的Thread类来创建线程，也可以通过继承Thread类的方式来创建自定义的线程类，然后再创建线程对象并启动线程。代码如下所示。

from random import randint
from threading import Thread
from time import sleep, time


class DownloadTask(Thread):
    def __init__(self, filename):
        super().__init__()
        self._filename = filename

    def run(self):
        print('开始下载%s...' % self._filename)
        time_to_download = randint(5, 10)
        sleep(time_to_download)
        print('%s下载完成！耗费了%d秒' % (self._filename, time_to_download))


def main():
    start = time()
    t1 = DownloadTask('Python从入门到放弃.pdf')
    t1.start()
    t2 = DownloadTask('Peking Hot.avi')
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    end = time()
    print('总共耗费了%.2f秒.' % (end - start))


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        因为多个线程可以共享进程的内存空间，因此要实现多个线程间的通信相对简单，大家能想到的最直接的办法就是设置一个全局变量，多个线程共享这个全局变量即可。但是当多个线程共享同一个变量（我们通常称之为“资源”）的时候，很有可能产生不可控的结果从而导致程序失效甚至崩溃。如果一个资源被多个线程竞争使用，那么我们通常称之为“临界资源”，对“临界资源”的访问需要加上保护，否则资源会处于“混乱”的状态。下面的例子演示了100个线程向同一个银行账户转账（转入1元钱）的场景，在这个例子中，银行账户就是一个临界资源，在没有保护的情况下我们很有可能会得到错误的结果。

from time import sleep
from threading import Thread


class Account(object):
    def __init__(self):
        self._balance = 0

    def deposit(self, money):
        # 计算存款后的余额
        new_balance = self._balance + money
        # 模拟受理存款业务需要0.01秒的时间
        sleep(0.01)
        # 修改账户余额
        self._balance = new_balance

    @property
    def balance(self):
        return self._balance


class AddMoneyThread(Thread):
    def __init__(self, account, money):
        super().__init__()
        self._account = account
        self._money = money

    def run(self):
        self._account.deposit(self._money)


def main():
    account = Account()
    threads = []
    # 创建100个存款的线程向同一个账户中存钱
    for _ in range(100):
        t = AddMoneyThread(account, 1)
        threads.append(t)
        t.start()

    # 等所有存款的线程都执行完毕
    for t in threads:
        t.join()
    print('账户余额为：￥%d元' % account.balance)


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        运行上面的程序，结果让人大跌眼镜，100个线程分别向账户中转入1元钱，结果居然远远小于100元。之所以出现这种情况是因为我们没有对银行账户这个“临界资源”加以保护，多个线程同时向账户中存钱时，会一起执行到new_balance = self._balance + money这行代码，多个线程得到的账户余额都是初始状态下的0，所以都是0上面做了+1的操作，因此得到了错误的结果。在这种情况下，“锁”就可以派上用场了。我们可以通过“锁”来保护“临界资源”，只有获得“锁”的线程才能访问“临界资源”，而其他没有得到“锁”的线程只能被阻塞起来，直到获得“锁”的线程释放了“锁”，其他线程才有机会获得“锁”，进而访问被保护的“临界资源”。下面的代码演示了如何使用“锁”来保护对银行账户的操作，从而获得正确的结果。

from time import sleep
from threading import Thread, Lock


class Account():
    def __init__(self):
        self._balance = 0
        self._lock = Lock()

    def deposit(self, money):
        # 先获取锁才能执行后续的代码
        self._lock.acquire()
        try:
            new_balance = self._balance + money
            sleep(0.01)
            self._balance = new_balance
        finally:
            self._lock.release()

    @property
    def balance(self):
        return self._balance


class AddMoneyThread(Thread):
    def __init__(self, account, money):
        super().__init__()
        self._account = account
        self._money = money

    def run(self):
        self._account.deposit(self._money)


def main():
    account = Account()
    threads = []
    for _ in range(100):
        t = AddMoneyThread(account, 1)
        threads.append(t)
        t.start()

    for t in threads:
        t.join()
    print('账户余额为：￥%d元' % account.balance)


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        比较遗憾的一件事情是Python的多线程并不能发挥CPU的多核特性，这一点只要启动几个执行死循环的线程就可以得到证实了。之所以如此，是因为Python的解释器有一个“全局解释器锁”（GIL）的东西，任何线程执行前必须先获得GIL锁，然后每执行100条字节码，解释器就自动释放GIL锁，让别的线程有机会执行，这是一个历史遗留问题，但是即便如此，就如之前举的例子，使用多线程在提升执行效率和改善用户体验方面仍然是有积极意义的。

        那多进程还是多线程怎么选择呢？

        通常把任务分为计算密集型和I/O密集型。计算密集型任务的特点是要进行大量的计算，消耗CPU资源，比如对视频进行编码解码或者格式转换等等，这种任务全靠CPU的运算能力，虽然也可以用多任务完成，但是任务越多，花在任务切换的时间就越多，CPU执行任务的效率就越低。计算密集型任务由于主要消耗CPU资源，这类任务用Python这样的脚本语言去执行效率通常很低，最能胜任这类任务的是C语言，我们之前提到过Python中有嵌入C/C++代码的机制。

        除了计算密集型任务，其他的涉及到网络、存储介质I/O的任务都可以视为I/O密集型任务，这类任务的特点是CPU消耗很少，任务的大部分时间都在等待I/O操作完成（因为I/O的速度远远低于CPU和内存的速度）。对于I/O密集型任务，如果启动多任务，就可以减少I/O等待时间从而让CPU高效率的运转。有一大类的任务都属于I/O密集型任务，这其中包括了我们很快会涉及到的网络应用和Web应用。

1.4 单线程+异步I/O

        现代操作系统对I/O操作的改进中最为重要的就是支持异步I/O。如果充分利用操作系统提供的异步I/O支持，就可以用单进程单线程模型来执行多任务，这种全新的模型称为事件驱动模型。Nginx就是支持异步I/O的Web服务器，它在单核CPU上采用单进程模型就可以高效地支持多任务。在多核CPU上，可以运行多个进程（数量与CPU核心数相同），充分利用多核CPU。用Node.js开发的服务器端程序也使用了这种工作模式，这也是当下并发编程的一种流行方案。

        在Python语言中，单线程+异步I/O的编程模型称为协程，有了协程的支持，就可以基于事件驱动编写高效的多任务程序。协程最大的优势就是极高的执行效率，因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销。协程的第二个优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不用加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。如果想要充分利用CPU的多核特性，最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

1.5 应用案例

        例子1： 将耗时间的任务放到线程中以获得更好的用户体验。
        如下所示的界面中，有“下载”和“关于”两个按钮，用休眠的方式模拟点击“下载”按钮会联网下载文件需要耗费10秒的时间，如果不使用“多线程”，我们会发现，当点击“下载”按钮后整个程序的其他部分都被这个耗时间的任务阻塞而无法执行了，这显然是非常糟糕的用户体验，代码如下所示。

import time
import tkinter
import tkinter.messagebox


def download():
    # 模拟下载任务需要花费10秒钟时间
    time.sleep(10)
    tkinter.messagebox.showinfo("Prompt", "Download Successfully")


def show_about():
    tkinter.messagebox.showinfo("About", "Author: CarpeDiem(v1.0)")


def main():
    top = tkinter.Tk()
    top.title("Single Thread")
    top.geometry("200x150")
    top.wm_attributes("-topmost", True)

    panel = tkinter.Frame(top)
    botton1 = tkinter.Button(panel, text="Download", command=download)
    botton1.pack(side='left')
    botton2 = tkinter.Button(panel, text="About", command=show_about)
    botton2.pack(side='right')
    panel.pack(side='bottom')

    tkinter.mainloop()


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        使用多线程将耗时间的任务放到一个独立的线程中执行，这样就不会因为执行耗时间的任务而阻塞了主线程，修改后的代码如下所示。

import time
import tkinter
import tkinter.messagebox
from threading import Thread


def main():
    class DownloadTakHandler(Thread):
        def run(self):
            time.sleep(10)
            tkinter.messagebox.showinfo("Prompt", "Download Successfully")
            # 启用下载按钮
            button1.config(state=tkinter.NORMAL)

    def download():
        # 禁用下载按钮
        button1.config(state=tkinter.DISABLED)
        # 通过daemon参数将线程设置为守护线程(主程序退出就不再保留执行)
        # 在线程中处理耗时间的下载任务
        DownloadTakHandler(daemon=True).start()

    def show_about():
        tkinter.messagebox.showinfo("About", "Author: CarpeDiem(v1.0)")

    top = tkinter.Tk()
    top.title("Single Thread")
    top.geometry("200x150")
    top.wm_attributes('-topmost', 1)

    panel = tkinter.Frame(top)
    button1 = tkinter.Button(panel, text="Download", command=download)
    button1.pack(side='left')
    button2 = tkinter.Button(panel, text="About", command=show_about)
    button2.pack(side='right')
    panel.pack(side='bottom')

    tkinter.mainloop()


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        例子2： 使用多进程对复杂任务进行“分而治之”。

        我们来完成1~100000000求和的计算密集型任务，这个问题本身非常简单，有点循环的知识就能解决，代码如下所示。

from time import time


def main():
    total = 0
    number_list = [x for x in range(1, 100000001)]
    start = time()
    for number in number_list:
        total += number
    print(total)
    end = time()
    print('Execution time: %.3fs' % (end - start))


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        在上面的代码中，故意先去创建了一个列表容器然后填入了100000000个数，这一步其实是比较耗时间的，所以为了公平起见，当我们将这个任务分解到8个进程中去执行的时候，我们暂时也不考虑列表切片操作花费的时间，只是把做运算和合并运算结果的时间统计出来，代码如下所示。

from multiprocessing import Process, Queue
from time import time


def task_handler(curr_list, result_queue):
    total = 0
    for number in curr_list:
        total += number
    result_queue.put(total)


def main():
    processes = []
    number_list = [x for x in range(1, 100000001)]
    result_queue = Queue()
    index = 0
    for _ in range(8):
        p = Process(target=task_handler,
                    args=(number_list[index:index + 12500000], result_queue))
        index += 12500000
        processes.append(p)
        p.start()
    # 开始记录所有进程执行完成花费的时间
    start = time()
    for p in processes:
        p.join()
    # 合并执行结果
    total = 0
    while not result_queue.empty():
        total += result_queue.get()
    print(total)
    end = time()
    print('Execution time:', (end - start), 's', sep='')


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        比较两段代码的执行结果（在我目前使用的Windows上，上面的代码需要大概6秒左右的时间，而下面的代码只需要不到1.5秒的时间，再强调一次我们只是比较了运算的时间，不考虑列表创建及切片操作花费的时间），使用多进程后由于获得了更多的CPU执行时间以及更好的利用了CPU的多核特性，明显的减少了程序的执行时间，而且计算量越大效果越明显。当然，如果愿意还可以将多个进程部署在不同的计算机上，做成分布式进程，具体的做法就是通过multiprocessing.managers模块中提供的管理器将Queue对象通过网络共享出来（注册到网络上让其他计算机可以访问）。

---

2 并发编程

        Python中实现并发编程的三种方案：多线程、多进程和异步I/O。并发编程的好处在于可以提升程序的执行效率以及改善用户体验；坏处在于并发的程序不容易开发和调试，同时对其他程序来说它并不友好。

2.1 多线程

        Python中提供了Thread类并辅以Lock、Condition、Event、Semaphore和Barrier。Python中有GIL来防止多个线程同时执行本地字节码，这个锁对于CPython是必须的，因为CPython的内存管理并不是线程安全的，因为GIL的存在多线程并不能发挥CPU的多核特性。

import glob
import os
import threading

from PIL import Image

PREFIX = 'thumbnails'


def generate_thumbnail(infile, size, format='PNG'):
    """生成指定图片文件的缩略图"""
	file, ext = os.path.splitext(infile)
	file = file[file.rfind('/') + 1:]
	outfile = f'{PREFIX}/{file}_{size[0]}_{size[1]}.{ext}'
	img = Image.open(infile)
	img.thumbnail(size, Image.ANTIALIAS)
	img.save(outfile, format)


def main():
    """主函数"""
	if not os.path.exists(PREFIX):
		os.mkdir(PREFIX)
	for infile in glob.glob('images/*.png'):
		for size in (32, 64, 128):
            # 创建并启动线程
			threading.Thread(
				target=generate_thumbnail, 
				args=(infile, (size, size))
			).start()
			

if __name__ == '__main__':
	main()
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        多个线程竞争资源的情况。

import time
import threading

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor


class Account(object):
    """银行账户"""

    def __init__(self):
        self.balance = 0.0
        self.lock = threading.Lock()

    def deposit(self, money):
        # 通过锁保护临界资源
        with self.lock:
            new_balance = self.balance + money
            time.sleep(0.001)
            self.balance = new_balance


def main():
    """主函数"""
    account = Account()
    # 创建线程池
    pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=10)
    futures = []
    for _ in range(100):
        future = pool.submit(account.deposit, 1)
        futures.append(future)
    # 关闭线程池
    pool.shutdown()
    for future in futures:
        future.result()
    print(account.balance)


if __name__ == '__main__':
    main()
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        修改上面的程序，启动5个线程向账户中存钱，5个线程从账户中取钱，取钱时如果余额不足就暂停线程进行等待。为了达到上述目标，需要对存钱和取钱的线程进行调度，在余额不足时取钱的线程暂停并释放锁，而存钱的线程将钱存入后要通知取钱的线程，使其从暂停状态被唤醒。可以使用threading模块的Condition来实现线程调度，该对象也是基于锁来创建的，代码如下所示：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from random import randint
from time import sleep

import threading


class Account:
    """银行账户"""

    def __init__(self, balance=0):
        self.balance = balance
        lock = threading.RLock()
        self.condition = threading.Condition(lock)

    def withdraw(self, money):
        """取钱"""
        with self.condition:
            while money > self.balance:
                self.condition.wait()
            new_balance = self.balance - money
            sleep(0.001)
            self.balance = new_balance

    def deposit(self, money):
        """存钱"""
        with self.condition:
            new_balance = self.balance + money
            sleep(0.001)
            self.balance = new_balance
            self.condition.notify_all()


def add_money(account):
    while True:
        money = randint(5, 10)
        account.deposit(money)
        print(threading.current_thread().name, 
              ':', money, '====>', account.balance)
        sleep(0.5)


def sub_money(account):
    while True:
        money = randint(10, 30)
        account.withdraw(money)
        print(threading.current_thread().name, 
              ':', money, '<====', account.balance)
        sleep(1)


def main():
    account = Account()
    with ThreadPoolExecutor(max_workers=15) as pool:
        for _ in range(5):
            pool.submit(add_money, account)
        for _ in range(10):
            pool.submit(sub_money, account)


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2.2 多进程

        多进程可以有效的解决GIL的问题，实现多进程主要的类是Process，其他辅助的类跟threading模块中的类似，进程间共享数据可以使用管道、套接字等，在multiprocessing模块中有一个Queue类，它基于管道和锁机制提供了多个进程共享的队列。下面是官方文档上关于多进程和进程池的一个示例。

import concurrent.futures
import math

PRIMES = [
    1116281,
    1297337,
    104395303,
    472882027,
    533000389,
    817504243,
    982451653,
    112272535095293,
    112582705942171,
    112272535095293,
    115280095190773,
    115797848077099,
    1099726899285419
] * 5


def is_prime(n):
    """判断素数"""
    if n % 2 == 0:
        return False

    sqrt_n = int(math.floor(math.sqrt(n)))
    for i in range(3, sqrt_n + 1, 2):
        if n % i == 0:
            return False
    return True


def main():
    """主函数"""
    with concurrent.futures.ProcessPoolExecutor() as executor:
        for number, prime in zip(PRIMES, executor.map(is_prime, PRIMES)):
            print('%d is prime: %s' % (number, prime))


if __name__ == '__main__':
    main()
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2.3 异步

        从调度程序的任务队列中挑选任务，该调度程序以交叉的形式执行这些任务，我们并不能保证任务将以某种顺序去执行，因为执行顺序取决于队列中的一项任务是否愿意将CPU处理时间让位给另一项任务。异步任务通常通过多任务协作处理的方式来实现，由于执行时间和顺序的不确定，因此需要通过回调式编程或者future对象来获取任务执行的结果。Python3通过asyncio模块和await和async关键字（在Python3.7中正式被列为关键字）来支持异步处理。

import asyncio


def num_generator(m, n):
    """指定范围的数字生成器"""
    yield from range(m, n + 1)


async def prime_filter(m, n):
    """素数过滤器"""
    primes = []
    for i in num_generator(m, n):
        flag = True
        for j in range(2, int(i ** 0.5 + 1)):
            if i % j == 0:
                flag = False
                break
        if flag:
            print('Prime =>', i)
            primes.append(i)

        await asyncio.sleep(0.001)
    return tuple(primes)


async def square_mapper(m, n):
    """平方映射器"""
    squares = []
    for i in num_generator(m, n):
        print('Square =>', i * i)
        squares.append(i * i)

        await asyncio.sleep(0.001)
    return squares


def main():
    """主函数"""
    loop = asyncio.get_event_loop()
    future = asyncio.gather(prime_filter(2, 100), square_mapper(1, 100))
    future.add_done_callback(lambda x: print(x.result()))
    loop.run_until_complete(future)
    loop.close()


if __name__ == '__main__':
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        Python中有一个名为aiohttp的三方库，它提供了异步的HTTP客户端和服务器，这个三方库可以跟asyncio模块一起工作，并提供了对Future对象的支持。Python3.6中引入了async和await来定义异步执行的函数以及创建异步上下文，在Python 3.7中它们正式成为了关键字。下面的代码异步的从5个URL中获取页面并通过正则表达式的命名捕获组提取了网站的标题。

import asyncio
import re

import aiohttp

PATTERN = re.compile(r'\(?P