Вирішення незручно паралельних проблем за допомогою багатопроцесорної обробки Python


82

Як можна використовувати багатопроцесорну обробку для вирішення незручно паралельних проблем ?

Незвично паралельні проблеми, як правило, складаються з трьох основних частин:

  1. Зчитування вхідних даних (з файлу, бази даних, з'єднання tcp тощо).
  2. Запустіть обчислення на вхідних даних, де кожен розрахунок не залежить від будь-якого іншого обчислення .
  3. Запишіть результати обчислень (у файл, базу даних, з'єднання TCP тощо).

Ми можемо розпаралелювати програму у двох вимірах:

  • Частина 2 може працювати на декількох ядрах, оскільки кожне обчислення є незалежним; порядок обробки не має значення.
  • Кожна частина може працювати самостійно. Частина 1 може розміщувати дані у вхідній черзі, частина 2 може витягувати дані з вхідної черги та розміщувати результати у вихідній черзі, а частина 3 може витягувати результати з вихідної черги та записувати їх.

Це здається найосновнішим шаблоном при одночасному програмуванні, але я все ще втрачаю спроби його вирішити, тому давайте напишемо канонічний приклад, щоб проілюструвати, як це робиться за допомогою багатопроцесорної обробки .

Ось приклад проблеми: Давши CSV-файл із рядками цілих чисел як вхідними, обчисліть їх суми. Розділіть проблему на три частини, які можуть виконуватися паралельно:

  1. Обробка вхідного файлу в необроблені дані (списки / ітерабелі цілих чисел)
  2. Паралельно обчислюйте суми даних
  3. Виведіть суми

Нижче наведено традиційну програму Python, прив'язану до одного процесу, яка вирішує ці три завдання:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# basicsums.py
"""A program that reads integer values from a CSV file and writes out their
sums to another CSV file.
"""

import csv
import optparse
import sys

def make_cli_parser():
    """Make the command line interface parser."""
    usage = "\n\n".join(["python %prog INPUT_CSV OUTPUT_CSV",
            __doc__,
            """
ARGUMENTS:
    INPUT_CSV: an input CSV file with rows of numbers
    OUTPUT_CSV: an output file that will contain the sums\
"""])
    cli_parser = optparse.OptionParser(usage)
    return cli_parser


def parse_input_csv(csvfile):
    """Parses the input CSV and yields tuples with the index of the row
    as the first element, and the integers of the row as the second
    element.

    The index is zero-index based.

    :Parameters:
    - `csvfile`: a `csv.reader` instance

    """
    for i, row in enumerate(csvfile):
        row = [int(entry) for entry in row]
        yield i, row


def sum_rows(rows):
    """Yields a tuple with the index of each input list of integers
    as the first element, and the sum of the list of integers as the
    second element.

    The index is zero-index based.

    :Parameters:
    - `rows`: an iterable of tuples, with the index of the original row
      as the first element, and a list of integers as the second element

    """
    for i, row in rows:
        yield i, sum(row)


def write_results(csvfile, results):
    """Writes a series of results to an outfile, where the first column
    is the index of the original row of data, and the second column is
    the result of the calculation.

    The index is zero-index based.

    :Parameters:
    - `csvfile`: a `csv.writer` instance to which to write results
    - `results`: an iterable of tuples, with the index (zero-based) of
      the original row as the first element, and the calculated result
      from that row as the second element

    """
    for result_row in results:
        csvfile.writerow(result_row)


def main(argv):
    cli_parser = make_cli_parser()
    opts, args = cli_parser.parse_args(argv)
    if len(args) != 2:
        cli_parser.error("Please provide an input file and output file.")
    infile = open(args[0])
    in_csvfile = csv.reader(infile)
    outfile = open(args[1], 'w')
    out_csvfile = csv.writer(outfile)
    # gets an iterable of rows that's not yet evaluated
    input_rows = parse_input_csv(in_csvfile)
    # sends the rows iterable to sum_rows() for results iterable, but
    # still not evaluated
    result_rows = sum_rows(input_rows)
    # finally evaluation takes place as a chain in write_results()
    write_results(out_csvfile, result_rows)
    infile.close()
    outfile.close()


if __name__ == '__main__':
    main(sys.argv[1:])

Візьмемо цю програму і перепишемо її, щоб використовувати багатопроцесорну обробку для паралелізації трьох частин, описаних вище. Нижче наведено скелет цієї нової, розпаралелізованої програми, яку потрібно доопрацювати, щоб звернутися до частин у коментарях:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# multiproc_sums.py
"""A program that reads integer values from a CSV file and writes out their
sums to another CSV file, using multiple processes if desired.
"""

import csv
import multiprocessing
import optparse
import sys

NUM_PROCS = multiprocessing.cpu_count()

def make_cli_parser():
    """Make the command line interface parser."""
    usage = "\n\n".join(["python %prog INPUT_CSV OUTPUT_CSV",
            __doc__,
            """
ARGUMENTS:
    INPUT_CSV: an input CSV file with rows of numbers
    OUTPUT_CSV: an output file that will contain the sums\
"""])
    cli_parser = optparse.OptionParser(usage)
    cli_parser.add_option('-n', '--numprocs', type='int',
            default=NUM_PROCS,
            help="Number of processes to launch [DEFAULT: %default]")
    return cli_parser


def main(argv):
    cli_parser = make_cli_parser()
    opts, args = cli_parser.parse_args(argv)
    if len(args) != 2:
        cli_parser.error("Please provide an input file and output file.")
    infile = open(args[0])
    in_csvfile = csv.reader(infile)
    outfile = open(args[1], 'w')
    out_csvfile = csv.writer(outfile)

    # Parse the input file and add the parsed data to a queue for
    # processing, possibly chunking to decrease communication between
    # processes.

    # Process the parsed data as soon as any (chunks) appear on the
    # queue, using as many processes as allotted by the user
    # (opts.numprocs); place results on a queue for output.
    #
    # Terminate processes when the parser stops putting data in the
    # input queue.

    # Write the results to disk as soon as they appear on the output
    # queue.

    # Ensure all child processes have terminated.

    # Clean up files.
    infile.close()
    outfile.close()


if __name__ == '__main__':
    main(sys.argv[1:])

Ці фрагменти коду, а також інший фрагмент коду, який може генерувати приклади файлів CSV для цілей тестування, можна знайти на github .

Я був би вдячний за будь-яке розуміння тут того, як ви, гуру паралелізму, підійдете до цієї проблеми.


Ось декілька запитань, які виникали у мене, коли я думав про цю проблему. Бонусні бали за адресу будь-якого / усіх:

  • Чи повинен я мати дочірні процеси для зчитування даних та розміщення їх у черзі, чи може основний процес робити це, не блокуючи, поки не буде прочитано весь вхід?
  • Так само, чи повинен я мати дочірній процес для виписування результатів із обробленої черги, чи може основний процес робити це, не чекаючи всіх результатів?
  • Чи слід використовувати пул процесів для операцій суми?
    • Якщо так, який метод я закликаю до пулу, щоб він почав обробляти результати, що надходять у чергу введення, не блокуючи також процеси введення та виводу? apply_async () ? map_async () ? imap () ? imap_unordered () ?
  • Припустимо, нам не потрібно було відсікати черги вводу та виводу під час введення даних, але ми могли дочекатися, поки все введення буде проаналізовано та обчислені всі результати (наприклад, тому що ми знаємо, що всі вхідні та вихідні дані помістяться в системній пам’яті). Чи повинні ми якось змінювати алгоритм (наприклад, не запускати жодні процеси одночасно з введенням / виведенням)?

2
Ха-ха, я люблю цей термін незручно-паралельно. Я здивований, що цей термін я чую вперше, це чудовий спосіб позначити цю концепцію.
Том Нейленд,

Відповіді:


70

Моє рішення має додатковий звук, щоб переконатися, що порядок виводу має такий самий порядок, як вхід. Я використовую multiprocessing.queue's для передачі даних між процесами, надсилаючи повідомлення про зупинку, щоб кожен процес знав, що потрібно припинити перевірку черг. Я думаю, що коментарі у джерелі повинні чітко пояснити, що відбувається, але якщо не повідомити.

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
# multiproc_sums.py
"""A program that reads integer values from a CSV file and writes out their
sums to another CSV file, using multiple processes if desired.
"""

import csv
import multiprocessing
import optparse
import sys

NUM_PROCS = multiprocessing.cpu_count()

def make_cli_parser():
    """Make the command line interface parser."""
    usage = "\n\n".join(["python %prog INPUT_CSV OUTPUT_CSV",
            __doc__,
            """
ARGUMENTS:
    INPUT_CSV: an input CSV file with rows of numbers
    OUTPUT_CSV: an output file that will contain the sums\
"""])
    cli_parser = optparse.OptionParser(usage)
    cli_parser.add_option('-n', '--numprocs', type='int',
            default=NUM_PROCS,
            help="Number of processes to launch [DEFAULT: %default]")
    return cli_parser

class CSVWorker(object):
    def __init__(self, numprocs, infile, outfile):
        self.numprocs = numprocs
        self.infile = open(infile)
        self.outfile = outfile
        self.in_csvfile = csv.reader(self.infile)
        self.inq = multiprocessing.Queue()
        self.outq = multiprocessing.Queue()

        self.pin = multiprocessing.Process(target=self.parse_input_csv, args=())
        self.pout = multiprocessing.Process(target=self.write_output_csv, args=())
        self.ps = [ multiprocessing.Process(target=self.sum_row, args=())
                        for i in range(self.numprocs)]

        self.pin.start()
        self.pout.start()
        for p in self.ps:
            p.start()

        self.pin.join()
        i = 0
        for p in self.ps:
            p.join()
            print "Done", i
            i += 1

        self.pout.join()
        self.infile.close()

    def parse_input_csv(self):
            """Parses the input CSV and yields tuples with the index of the row
            as the first element, and the integers of the row as the second
            element.

            The index is zero-index based.

            The data is then sent over inqueue for the workers to do their
            thing.  At the end the input process sends a 'STOP' message for each
            worker.
            """
            for i, row in enumerate(self.in_csvfile):
                row = [ int(entry) for entry in row ]
                self.inq.put( (i, row) )

            for i in range(self.numprocs):
                self.inq.put("STOP")

    def sum_row(self):
        """
        Workers. Consume inq and produce answers on outq
        """
        tot = 0
        for i, row in iter(self.inq.get, "STOP"):
                self.outq.put( (i, sum(row)) )
        self.outq.put("STOP")

    def write_output_csv(self):
        """
        Open outgoing csv file then start reading outq for answers
        Since I chose to make sure output was synchronized to the input there
        is some extra goodies to do that.

        Obviously your input has the original row number so this is not
        required.
        """
        cur = 0
        stop = 0
        buffer = {}
        # For some reason csv.writer works badly across processes so open/close
        # and use it all in the same process or else you'll have the last
        # several rows missing
        outfile = open(self.outfile, "w")
        self.out_csvfile = csv.writer(outfile)

        #Keep running until we see numprocs STOP messages
        for works in range(self.numprocs):
            for i, val in iter(self.outq.get, "STOP"):
                # verify rows are in order, if not save in buffer
                if i != cur:
                    buffer[i] = val
                else:
                    #if yes are write it out and make sure no waiting rows exist
                    self.out_csvfile.writerow( [i, val] )
                    cur += 1
                    while cur in buffer:
                        self.out_csvfile.writerow([ cur, buffer[cur] ])
                        del buffer[cur]
                        cur += 1

        outfile.close()

def main(argv):
    cli_parser = make_cli_parser()
    opts, args = cli_parser.parse_args(argv)
    if len(args) != 2:
        cli_parser.error("Please provide an input file and output file.")

    c = CSVWorker(opts.numprocs, args[0], args[1])

if __name__ == '__main__':
    main(sys.argv[1:])

1
Це єдина відповідь, яка насправді використана multiprocessing. Щедрість дістається вам, сер.
gotgenes

1
Чи насправді потрібно joinзалучатись до процесів введення та зминання чисел? Чи не могли б ви уникнути, лише приєднавшись до процесу виводу та ігноруючи інші? Якщо так, чи є все-таки вагома причина, щоб задіяти joinвсі інші процеси?
Ryan C. Thompson

"щоб потоки знали, що потрібно вийти" - "надсилати дані між потоками" - Потоки та процеси дуже різні. Я бачу, що це може заплутати новачків. Тим важливіше використовувати правильну термінологію у відповіді, яку так сильно підтримали. Ви тут запускаєте нові процеси. Ви не просто породжуєте нитки в поточному процесі.
Доктор Ян-Філіп Герке

Досить справедливо. Я виправив текст.
hbar

Фантастична відповідь. Дуже дякую.
eggonlegs

7

Пізно на вечірку ...

joblib має шар поверх багатопроцесорної обробки, щоб допомогти зробити паралель для петель. Це дає вам такі зручності, як ліниве розподіл робочих місць, а також кращий звіт про помилки на додаток до дуже простого синтаксису.

Як застереження, я є оригінальним автором joblib.


3
Тож чи здатний Joblib обробляти паралельно введення-виведення або це потрібно робити вручну? Не могли б ви надати зразок коду за допомогою Joblib? Дякую!
Роко Міїч

5

Я усвідомлюю, що трохи запізнився на вечірку, але нещодавно виявив паралель з GNU і хочу показати, наскільки легко виконати за допомогою цього типового завдання.

cat input.csv | parallel ./sum.py --pipe > sums

Щось подібне буде робити для sum.py:

#!/usr/bin/python

from sys import argv

if __name__ == '__main__':
    row = argv[-1]
    values = (int(value) for value in row.split(','))
    print row, ':', sum(values)

Паралельно буде виконуватися sum.pyдля кожного рядка input.csv(звичайно, паралельно), а потім виводити результати в sums. Явно краще, ніж multiprocessingклопоти


3
Паралельні документи GNU викликатимуть новий інтерпретатор Python для кожного рядка у вхідному файлі. Накладні витрати на запуск нового інтерпретатора Python (близько 30 мілісекунд для Python 2.7 і 40 мілісекунд для Python 3.3 на моєму i7 MacBook Pro з твердотільним накопичувачем) можуть істотно перевершити час, необхідний для обробки окремого рядка даних і призвести багато витраченого часу і гірших прибутків, ніж очікувалося. У випадку вашої прикладної проблеми, я, мабуть, вдався б до багатопроцесорної роботи .
gotgenes

4

Стара школа.

p1.py

import csv
import pickle
import sys

with open( "someFile", "rb" ) as source:
    rdr = csv.reader( source )
    for line in eumerate( rdr ):
        pickle.dump( line, sys.stdout )

p2.py

import pickle
import sys

while True:
    try:
        i, row = pickle.load( sys.stdin )
    except EOFError:
        break
    pickle.dump( i, sum(row) )

p3.py

import pickle
import sys
while True:
    try:
        i, row = pickle.load( sys.stdin )
    except EOFError:
        break
    print i, row

Ось мульти-обробка остаточної структури.

python p1.py | python p2.py | python p3.py

Так, оболонка поєднала їх на рівні ОС. Мені це здається простішим, і це працює дуже гарно.

Так, трохи більше накладних витрат при використанні соління (або cPickle). Спрощення, однак, видається вартим зусиль.

Якщо ви хочете, щоб ім'я файлу було аргументом p1.py, це легко змінити.

Що ще важливіше, така функція, як наведена нижче, дуже зручна.

def get_stdin():
    while True:
        try:
            yield pickle.load( sys.stdin )
        except EOFError:
            return

Це дозволяє зробити це:

for item in get_stdin():
     process item

Це дуже просто, але це не дозволяє легко мати кілька запущених копій P2.py.

У вас дві проблеми: вентилятор і фан-ін. P1.py повинен якимось чином обтікати кілька P2.py. І P2.py повинні якось об’єднати свої результати в єдиний P3.py.

Олдскульний підхід до фан-аут - це архітектура "Push", яка є дуже ефективною.

Теоретично багаторазове витягування P2.py із загальної черги є оптимальним розподілом ресурсів. Це часто ідеально, але це також неабияка кількість програм. Чи дійсно необхідне програмування? Або обробка круглими кругами буде досить хорошою?

Практично, ви виявите, що змусити P1.py робити простий "круговий обмін" між кількома P2.py може бути цілком непогано. Ви б налаштували P1.py для роботи з n копіями P2.py через іменовані канали. Кожен з P2.py читав би з відповідного каналу.

Що робити, якщо один P2.py отримує всі "найгірші випадки" даних і забігає далеко позаду? Так, кругляк не ідеальний. Але це краще, ніж лише один P2.py, і ви можете вирішити це упередження простою рандомізацією.

Вхід від декількох P2.py до одного P3.py все-таки трохи складніший. На даний момент підхід старої школи перестає бути вигідним. P3.py потрібно читати з декількох іменованих каналів, використовуючи selectбібліотеку для чергування читань.


Чи не стане це волосатішим, коли я хочу запустити nекземпляри p2.py, попросити їх споживати та обробляти mфрагменти rрядків, що виводяться p1.py, а p3.py отримувати результати mx rз усіх nекземплярів p2.py?
gotgenes

1
Я не бачив цієї вимоги у питанні. (Можливо, запитання було занадто довгим і складним, щоб зробити цю вимогу виділеною.) Важливо те, що у вас повинна бути дійсно вагома причина сподіватися, що кілька p2 насправді вирішать вашу проблему з продуктивністю. Хоча ми можемо припустити, що така ситуація може існувати, архітектура * nix цього ніколи не мала, і ніхто не вважав за потрібне це додати. Може бути корисно мати кілька p2. Але за останні 40 років ніхто не бачив достатньої потреби зробити його першокласною частиною оболонки.
S.Lott 01.03.10

Тоді це моя вина. Дозвольте мені відредагувати та пояснити цей момент. Щоб допомогти мені покращити питання, чи виникає плутанина від використання sum()? Це для ілюстративних цілей. Я міг би замінити його на do_something(), але я хотів конкретний, зрозумілий приклад (див. Перше речення). Насправді мій do_something()процесор дуже напружений, але незрозуміло паралелізується, оскільки кожен дзвінок є незалежним. Отже, допоможуть кілька жувальних ядер.
gotgenes

"чи плутанина походить від використання sum ()?" Очевидно, ні. Я не впевнений, чому ви це згадали. Ви сказали: "Чи не стане це волосатішим, коли я хочу запустити n екземплярів p2.py". Я не бачив цієї вимоги у питанні.
S.Lott

0

Можливо, можливо внести трохи паралелізму і в частину 1. Можливо, проблема не в такому простому форматі, як CSV, але якщо обробка вхідних даних помітно повільніша, ніж читання даних, ви можете прочитати більші фрагменти, а потім продовжуйте читати, поки не знайдете "роздільник рядків" ( новий рядок у випадку CSV, але знову ж таки це залежить від прочитаного формату; не працює, якщо формат досить складний).

Потім ці фрагменти, кожна, ймовірно, містять кілька записів, можуть бути оброблені натовпом паралельних процесів, що зчитують завдання з черги, де вони аналізуються та розділяються, а потім розміщуються в черзі для етапу 2.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.