Python多进程（1）——subprocess与Popen()

蓝晶灵

　　Python多进程方面涉及的模块主要包括：

• subprocess：可以在当前程序中执行其他程序或命令；
  
• mmap：提供一种基于内存的进程间通信机制；
  
• multiprocessing：提供支持多处理器技术的多进程编程接口，并且接口的设计最大程度地保持了和threading模块的一致，便于理解和使用。
  

　　
　　本文主要介绍 subprocess 模块及其提供的 Popen 类，以及如何使用该构造器在一个进程中创建新的子进程。此外，还会简要介绍 subprocess 模块提供的其他方法与属性，这些功能上虽然没有 Popen 强大的工具，在某些情况下却非常方便和高效。
　　本文的目录如下：
　　1. subprocess.Popen 类
　　2. Popen 对象的属性
　　3. Popen 对象的方法
　　4. subprocess模块的其他简便方法
　　5. subprocess模块的其他属性
　　6. subprocess模块定义的异常
　　
　　subprocess.Popen 类
　　通过调用：



subprocess.Popen(args, bufsize=0, executable=None, stdin=None, stdout=None, stderr=None, preexec_fn=None, close_fds=False, shell=False, cwd=None, env=None, universal_newlines=False, startupinfo=None, creationflags=0)
　　创建并返回一个子进程，并在这个进程中执行指定的程序。
　　实例化 Popen 可以通过许多参数详细定制子进程的环境，但是只有一个参数是必须的，即位置参数 args ，下面也会详细介绍剩余的具名参数。
　　参数介绍：

• args：要执行的命令或可执行文件的路径。一个由字符串组成的序列（通常是列表），列表的第一个元素是可执行程序的路径，剩下的是传给这个程序的参数，如果没有要传给这个程序的参数，args 参数可以仅仅是一个字符串。
  
• bufsize：控制 stdin, stdout, stderr 等参数指定的文件的缓冲，和打开文件的 open()函数中的参数 bufsize 含义相同。
  
• executable：如果这个参数不是 None，将替代参数 args 作为可执行程序；
  
• stdin：指定子进程的标准输入；
  
• stdout：指定子进程的标准输出；
  
• stderr：指定子进程的标准错误输出；
  

　　对于 stdin, stdout 和 stderr 而言，如果他们是 None（默认情况），那么子进程使用和父进程相同的标准流文件。
　　父进程如果想要和子进程通过 communicate() 方法通信，对应的参数必须是 subprocess.PIPE（见下文例4）；
　　当然 stdin, stdout 和 stderr 也可以是已经打开的 file 对象，前提是以合理的方式打开，比如 stdin 对应的文件必须要可读等。　

• preexec_fn：默认是None，否则必须是一个函数或者可调用对象，在子进程中首先执行这个函数，然后再去执行为子进程指定的程序或Shell。
  
• close_fds：布尔型变量，为 True 时，在子进程执行前强制关闭所有除 stdin，stdout和stderr外的文件；
  
• shell：布尔型变量，明确要求使用shell运行程序，与参数 executable 一同指定子进程运行在什么 Shell 中——如果executable=None 而 shell=True，则使用 /bin/sh 来执行 args 指定的程序；也就是说，Python首先起一个shell，再用这个shell来解释指定运行的命令。
  
• cwd：代表路径的字符串，指定子进程运行的工作目录，要求这个目录必须存在；
  
• env：字典，键和值都是为子进程定义环境变量的字符串；
  
• universal_newline：布尔型变量，为 True 时，stdout 和 stderr 以通用换行（universal newline）模式打开，
  
• startupinfo：见下一个参数；
  
• creationfalgs：最后这两个参数是Windows中才有的参数，传递给Win32的CreateProcess API调用。
  

　　同 Linux 中创建子进程类似，父进程创建完子进程后，并不会自动等待子进程执行，父进程在子进程之前推出将导致子进程成为孤儿进程，孤儿进程统一由 init 进程接管，负责其终止后的回收工作。
　　如果父进程在子进程之后终止，但子进程终止时父进程没有进行最后的回收工作，子进程残留的数据结构称为僵尸进程。大量僵尸进程将耗费系统资源，因此父进程及时等待和回收子进程是必要的，除非能够确认自己比子进程先终止，从而将回收工作过渡给 init 进程。
　　这个等待和回收子进程的操作就是wait()函数，下文中将会介绍。
　　例1：
　　创建一个子进程，然后执行一个简单的命令



>>> import subprocess
>>> p = subprocess.Popen('ls -l', shell=True)
>>> total 164
-rw-r--r--  1 root root   133 Jul  4 16:25 admin-openrc.sh
-rw-r--r--  1 root root   268 Jul 10 15:55 admin-openrc-v3.sh
...
>>> p.returncode
>>> p.wait()
0
>>> p.returncode
0

　　这里也可以使用 p = subprocess.Popen(['ls', '-cl']) 来创建子进程。
　　
　　Popen 对象的属性
　　Popen创建的子进程有一些有用的属性，假设 p 是 Popen 创建的子进程，p 的属性包括：
　　1.



p.pid
　　子进程的PID。
　　2.



p.returncode
　　该属性表示子进程的返回状态，returncode可能有多重情况：

• None —— 子进程尚未结束；
  
• ==0 —— 子进程正常退出；
  
• > 0—— 子进程异常退出，returncode对应于出错码；
  
• < 0—— 子进程被信号杀掉了。
  

　　3.



p.stdin, p.stdout, p.stderr
　　子进程对应的一些初始文件，如果调用Popen()的时候对应的参数是subprocess.PIPE，则这里对应的属性是一个包裹了这个管道的 file 对象，
　　
　　Popen 对象的方法
　　1.



p.poll()
　　检查子进程  p 是否已经终止，返回 p.returncode 属性 (参考下文 Popen 对象的属性)；
　　2.



p.wait()
　　等待子进程 p 终止，返回 p.returncode 属性；
　　注意：
　　wait() 立即阻塞父进程，直到子进程结束！
　　3.



p.communicate(input=None)
　　　　和子进程 p 交流，将参数 input （字符串）中的数据发送到子进程的 stdin，同时从子进程的 stdout 和 stderr 读取数据，直到EOF。
　　　　返回值：
　　　　　　二元组 (stdoutdata, stderrdata) 分别表示从标准出和标准错误中读出的数据。
　　　　父进程调用 p.communicate() 和子进程通信有以下限制：
　　　　（1） 只能通过管道和子进程通信，也就是说，只有调用 Popen() 创建子进程的时候参数 stdin=subprocess.PIPE，才能通过 p.communicate(input) 向子进程的 stdin 发送数据；只有参数 stout 和 stderr 也都为 subprocess.PIPE ，才能通过p.communicate() 从子进程接收数据，否则接收到的二元组中，对应的位置是None。
　　　　（2）父进程从子进程读到的数据缓存在内存中，因此commucate()不适合与子进程交换过大的数据。
　　注意：
　　communicate() 立即阻塞父进程，直到子进程结束！
　　4.



p.send_signal(signal)
　　向子进程发送信号 signal；
　　5.



p.terminate()
　　终止子进程 p ，等于向子进程发送 SIGTERM 信号；
　　6.



p.kill()
　　杀死子进程 p ，等于向子进程发送 SIGKILL 信号；
　　
　　subprocess模块的其他方法
　　1.



subprocess.call(args, *, stdin=None, stdout=None, stderr=None, shell=False)
　　父进程直接创建子进程执行程序，然后等待子进程完成
　　返回值：
　　call() 返回子进程的 退出状态 即 child.returncode 属性；
　　2.



subprocess.check_call(args, *, stdin=None, stdout=None, stderr=None, shell=False)
　　父进程直接创建子进程执行程序，然后等待子进程完成，具体可以使用的参数，参考上文 Popen 类的介绍。
　　返回值：
　　无论子进程是否成功，该函数都返回 0；但是　
　　如果子进程的退出状态不是0，check_call() 抛出异常 CalledProcessError，异常对象中包含了 child.returncode 对应的返回码。
　　例2：
　　check_call()正常与错误执行命令



>>> p = subprocess.check_call(['ping' ,'-c', '2', 'www.baidu.com'])
PING www.a.shifen.com (220.181.111.188) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 220.181.111.188: icmp_seq=1 ttl=42 time=37.4 ms
64 bytes from 220.181.111.188: icmp_seq=2 ttl=42 time=37.3 ms
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms
rtt min/avg/max/mdev = 37.335/37.410/37.486/0.207 ms
>>> print p
0
>>> p = subprocess.check_call(['ping' ,'-c', '4', 'www.!@$#@!(*^.com'])
ping: unknown host www.!@$#@!(*^.com
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
File "/usr/lib/python2.7/subprocess.py", line 540, in check_call
raise CalledProcessError(retcode, cmd)
subprocess.CalledProcessError: Command '['ping', '-c', '4', 'www.!@$#@!(*^.com']' returned non-zero exit status 2
>>> print p
0

　　
　　3.



subprocess.check_output(args, *, stdin=None, stderr=None, shell=False, universal_newlines=False)
　　父进程直接创建子进程执行程序，以字符串的形式返回子进程的输出。
　　返回值：
　　字符串形式的子进程的输出结果，但是，
　　如果子进程的 退出状态 不是0，那么抛出异常 CalledProcessError，异常对象中包含了 child.returncode 对应的返回码。
　　注意：
　　check_output() 的函数签名中没有参数 stdout，调用该方法时，子进程的输出默认就返回给父进程。
　　例3：
　　check_output() 调用的子进程正常与错误退出



>>> subprocess.check_output(["echo", "Hello World!"])
'Hello World!\n'
>>> subprocess.check_output("exit 1", shell=True)
Traceback (most recent call last):
...
subprocess.CalledProcessError: Command 'exit 1' returned non-zero exit status 1

　　
　　注意：
　　使用上面提到的三个方法：call()、check_call() 和 check_output() 时，尽量不要将参数 stderr 和 stdout 设置为 subprocess.PIPE，这几个函数默认都会等待子进程完成，子进程产生大量的输出数据如果造成管道堵塞，父进程再等待子进程完成可能造成死锁。
　　
　　subprocess模块的其他属性



subprocess.PIPE
　　调用本模块提供的若干函数时，作为 std* 参数的值，为标准流文件打开一个管道。
　　例4：
　　使用管道连接标准流文件



import subprocess
child1 = subprocess.Popen(['ls', '-l'], stdout=subprocess.PIPE)
child2 = subprocess.Popen(['wc', '-l'], stdin=child1.stdout, stdout=subprocess.PIPE)
out = child2.communicate()
child1.wait()
child2.wait()
print(out)
　　这里将子进程 child1 的标准输出作为子进程 child2 的标准输入，父进程通过 communicate() 读取 child2 的标准输出后打印。
　　



subprocess.STDOUT
　　调用本模块提供的若干函数时，作为 stderr 参数的值，将子进程的标准错误输出打印到标准输出。
　　
　　subprocess模块定义的异常



exception subprocess.CalledProcessError
　　（1）什么时候可能抛出该异常：调用 check_call() 或 check_output() ，子进程的退出状态不为 0 时。
　　（2）该异常包含以下信息：

• returncode：子进程的退出状态；
  
• cmd：创建子进程时指定的命令；
  
• output：如果是调用 check_output() 时抛出的该异常，这里包含子进程的输出，否则该属性为None。
  

　　
　　总结
　　本文介绍了Python subprocess的基本用法，使用 Popen 可以在Python进程中创建子进程，如果只对子进程的执行退出状态感兴趣，可以调用 subprocess.call() 函数，如果想通过异常处理机制解决子进程异常退出的情形，可以考虑使用 subprocess.check_call() 和 subprocess.check_output。如果希望获得子进程的输出，可以调用 subprocess.check_output()，但 Popen() 无疑是功能最强大的。
　　subprocess模块的缺陷在于默认提供的父子进程间通信手段有限，只有管道；同时创建的子进程专门用来执行外部的程序或命令。
　　Linux下进程间通信的手段很多，子进程也完全可能从创建之后继续调用