并行计算作业补充（Python实现）

前情提要

之前由于并行计算的作业被视为类同或抄袭网络，正好最近学习Python，于是刚好在这里作一个补充，新方法采用Python实现并行，一来学习用，二来为了完成作业。

旧作业地址如下：
OpenMP计算圆周率

Python并行计算

Python在并行计算方面使用的是GIL(Global Interperter Lock，全局解释器锁)，被认为的多线程其实是伪的，比较鸡肋，但在实验环境中，配合GPU，其实还不是很鸡肋，在此我们就讲解一下；

Python的原解释器CPython是有GIL的，在执行代码过程中，会产生互斥锁来限制线程对共享资源的访问，而GIL的作用就是，一个进行同一时间只能允许一个线程运算，摆明的单线程啊！

由于CPython中的GIL的存在我们可以暂时不奢望能在CPython中使用多线程利用多核资源进行并行计算了，因此我们在Python中可以利用多进程的方式充分利用多核资源。

并行计算的目的是将所有的核心都运行起来以提高代码的执行速度，在python中由于存在全局解释器锁（GIL）如果使用默认的python多线程进行并行计算可能会发现代码的执行速度并不会加快，甚至会比使用但核心要慢！！！

用到的库

下面就来简单介绍几个Python并行计算中用到的库，最后再使用Python实现一个小例子，应该可以完成作业了吧？

在Thread和Process中，应当优选Process，因为Process更稳定，而且，Process可以分布到多台机器上，而Thread最多只能分布到同一台机器的多个CPU上。当然我们处理一个简单的例子用哪个都可以。

这里我们使用Python的multiprocessing模块，其中managers子模块还支持把多进程分布到多台机器上。一个服务进程可以作为调度者，将任务分布到其他多个进程中，依靠网络通信。由于managers模块封装很好，不必了解网络通信的细节，就可以很容易地编写分布式多进程程序。

• 简单介绍一下multiprocessing模块的用法：

multiprocessing模块提供了一个Process类来代表一个进程对象。创建子进程时，只需要传入一个执行函数和函数的参数，创建一个Process实例，start()方法启动，join()方法可以等待子进程结束后再继续往下运行，通常用于进程间的同步。

代码举例（代码经过实验，在Python3上运行）：

#-*-coding=utf-8-*-

from multiprocessing import Process
import os
import time


def run_process(name):
    time.sleep(2)
    print('Run child process %s is (%s). ' %(name, os.getpid()))

    pass

def hello_world():
    time.sleep(5)
    print('Run child process is (%s). ' %(os.getpid()))

    pass

if __name__ == "__main__":

    print("Parent process is %s." % (os.getpid()))

    p1 = Process(target=run_process, args=('test', ))
    p2 = Process(target=hello_world)

    print(" process will start...... ")

    p1.start()
    p2.start()
    p1.join()

    print(" process end!")

输出如下：

output

一些并行模块通过修改pyhton的GIL机制突破了这个限制，使得Python在多核电脑中也能够有效的进行并行计算。PP（Parallel Python）模块就是其中一种。

• PP（Parallel Python）模块举例：

安装pp模块的时候出现了一个问题，在这里做出解释：

pip install pp==1.6.5
Collecting pp==1.6.5
  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/14/e9/f69030681985226849becd36b04e2c0cb99babff23c8342bc4e30ded06b2/pp-1.6.5.tar.gz
    Complete output from command python setup.py egg_info:
    Traceback (most recent call last):
      File "<string>", line 1, in <module>
      File "/private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-1pnu5md4/pp/setup.py", line 12, in <module>
        from pp import version as VERSION
      File "/private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-1pnu5md4/pp/pp.py", line 121
        print sout,
                 ^
    SyntaxError: Missing parentheses in call to 'print'. Did you mean print(print sout, end=" ")?
    
Command "python setup.py egg_info" failed with error code 1 in /private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-xa12jeey/pp/

具体原因是因为pip工具默认调用了python3的语法运行了setup.py脚本，但是该下载脚本默认用的貌似是python2的语法，解决方法如下：

pip install setuptools --upgrade --user

接着运行：

pip install pp

出现：

Collecting pp
  Using cached https://files.pythonhosted.org/packages/14/e9/f69030681985226849becd36b04e2c0cb99babff23c8342bc4e30ded06b2/pp-1.6.5.tar.gz
    Complete output from command python setup.py egg_info:
    Traceback (most recent call last):
      File "<string>", line 1, in <module>
      File "/private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-i2brisl3/pp/setup.py", line 12, in <module>
        from pp import version as VERSION
      File "/private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-i2brisl3/pp/pp.py", line 121
        print sout,
                 ^
    SyntaxError: Missing parentheses in call to 'print'. Did you mean print(print sout, end=" ")?
    
    ----------------------------------------
Command "python setup.py egg_info" failed with error code 1 in /private/var/folders/gk/4tnnvlmj0zzg74xzmnkq8g0c0000gn/T/pip-install-i2brisl3/pp/

上述原因是使用pip（python3版本）工具时调用了python2的脚本，导致无法正常调用对应版本的setup.py脚本；

使用pip2安装出现：

 Could not fetch URL https://pypi.python.org/simple/pp/: There was a problem confirming the ssl certificate: [SSL: TLSV1_ALERT_PROTOCOL_VERSION] tlsv1 alert protocol version (_ssl.c:590) - skipping
  Could not find a version that satisfies the requirement pp (from versions: )
No matching distribution found for pp

所以可能是python3上的pp模块并不是这个名字，我们使用其它方法把这个模块下载下来：

wget https://files.pythonhosted.org/packages/14/e9/f69030681985226849becd36b04e2c0cb99babff23c8342bc4e30ded06b2/pp-1.6.5.tar.gz
tar xvfz pp-1.6.5
cd pp-1.6.5
python setup.py install

这样我们使用python2.7对pp模块进行了安装，而且pp模块的最新版本1.6.5是只支持python2的；接下来我们在python2.7下对pp模块进行引用，来完成并行计算的例子；

最后发现个问题，python版本对应有特定的pp版本，并不是不的支持了，详细见网站PP模块版本，但是环境已经配好那就用python2吧暂时；

• 例子举例，该例子实现了用并行计算的方法解决“从0到给定范围内所有质数的和”：

#-*-coding=utf-8-*-

import time 
import math

def isprime(n):
    if not isinstance(n, int):
        raise TypeError("argument passed to is_prime is not of 'int' type")
    if n < 2:
        return False
    if n == 2:
        return True
    max = int(math.ceil(math.sqrt(n)))
    i = 2
    while i <= max:
        if n % i == 0:
            return False
        i += 1
    return True

def sum_primes(n):
    return sum([x for x in range(2, n) if isprime(x)])


#串行代码
print("{beg} serial process {beg}".format(beg='-'*16))
startTime = time.time()

inputs = (100000, 100100, 100200, 100300, 100400, 100500, 100600, 100700)
results = [(input,sum_primes(input)) for input in inputs]

for input, result in results:
    print("Sum of primes below %s is %s" % (input, result))

print("use: %.3fs"%( time.time()-startTime))


import pp

#并行代码
print("{beg} parallel process {beg}".format(beg='-'*16))
startTime = time.time()

job_server = pp.Server()

inputs = (100000, 100100, 100200, 100300, 100400, 100500, 100600, 100700)
jobs = [(input, job_server.submit(sum_primes, (input, ), (isprime, ),
        ("math", )) ) for input in inputs]

for input, job in jobs:
    print("Sum of primes below %s is %s" % (input, job()))

print("use: %.3fs"%( time.time()-startTime ) )

运行得出结果：

output

实验总结

这次作业补充让我学习了两个python并行计算的模块，一个是使用多线程方法的mutilprocessing，另一个是真正实现并行计算的pp模块，在今后的学习中，可以利用这些实现的并行计算去加速运行大规模的计算量，另外在深度学习方面我们有强大的numpy以及利用gpu的库，总的来说在并行计算的方面我们还有很多东西可以实践，今天就到这了，希望这个作业可以过。