17.4. concurrent.futures – 並列タスク実行

バージョン 3.2 で追加.

ソースコード: Lib/concurrent/futures/thread.py および Lib/concurrent/futures/process.py


The concurrent.futures モジュールは、非同期に実行できる呼び出し可能オブジェクトの高水準のインタフェースを提供します。

非同期実行は ThreadPoolExecutor を用いてスレッドで実行することも、 ProcessPoolExecutor を用いて別々のプロセスで実行することもできます. どちらも Executor 抽象クラスで定義された同じインターフェースを実装します。

17.4.1. Executor オブジェクト

class concurrent.futures.Executor

非同期呼び出しを実行するためのメソッドを提供する抽象クラスです。このクラスを直接使ってはならず、具象サブクラスを介して使います。

submit(fn, *args, **kwargs)

呼び出し可能オブジェクト fn を、 fn(*args **kwargs) として実行するようにスケジュールし、呼び出し可能オブジェクトの実行を表現する Future オブジェクトを返します。

with ThreadPoolExecutor(max_workers=1) as executor:
    future = executor.submit(pow, 323, 1235)
    print(future.result())
map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1)

Equivalent to map(func, *iterables) except func is executed asynchronously and several calls to func may be made concurrently. The returned iterator raises a concurrent.futures.TimeoutError if __next__() is called and the result isn’t available after timeout seconds from the original call to Executor.map(). timeout can be an int or a float. If timeout is not specified or None, there is no limit to the wait time. If a call raises an exception, then that exception will be raised when its value is retrieved from the iterator. When using ProcessPoolExecutor, this method chops iterables into a number of chunks which it submits to the pool as separate tasks. The (approximate) size of these chunks can be specified by setting chunksize to a positive integer. For very long iterables, using a large value for chunksize can significantly improve performance compared to the default size of 1. With ThreadPoolExecutor, chunksize has no effect.

バージョン 3.5 で変更: chunksize 引数が追加されました。

shutdown(wait=True)

executor に対して、現在保留中のフューチャーが実行された後で、使用中のすべての資源を解放するように伝えます。シャットダウンにより後に Executor.submit()Executor.map() を呼び出すと RuntimeError が送出されます。

If wait is True then this method will not return until all the pending futures are done executing and the resources associated with the executor have been freed. If wait is False then this method will return immediately and the resources associated with the executor will be freed when all pending futures are done executing. Regardless of the value of wait, the entire Python program will not exit until all pending futures are done executing.

with 文を使用することで、このメソッドを明示的に呼ばないようにできます。 with 文は Executor をシャットダウンします (waitTrue にセットして Executor.shutdown() が呼ばれたかのように待ちます)。

import shutil
with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as e:
    e.submit(shutil.copy, 'src1.txt', 'dest1.txt')
    e.submit(shutil.copy, 'src2.txt', 'dest2.txt')
    e.submit(shutil.copy, 'src3.txt', 'dest3.txt')
    e.submit(shutil.copy, 'src4.txt', 'dest4.txt')

17.4.2. ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor はスレッドのプールを使用して非同期に呼び出しを行う、 Executor のサブクラスです。

Future に関連づけられた呼び出し可能オブジェクトが、別の Future の結果を待つ時にデッドロックすることがあります。例:

import time
def wait_on_b():
    time.sleep(5)
    print(b.result()) # b will never complete because it is waiting on a.
    return 5

def wait_on_a():
    time.sleep(5)
    print(a.result()) # a will never complete because it is waiting on b.
    return 6


executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
a = executor.submit(wait_on_b)
b = executor.submit(wait_on_a)

以下でも同様です:

def wait_on_future():
    f = executor.submit(pow, 5, 2)
    # This will never complete because there is only one worker thread and
    # it is executing this function.
    print(f.result())

executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=1)
executor.submit(wait_on_future)
class concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=None)

最大で max_workers 個のスレッドを非同期実行に使う Executor のサブクラスです。

バージョン 3.5 で変更: If max_workers is None or not given, it will default to the number of processors on the machine, multiplied by 5, assuming that ThreadPoolExecutor is often used to overlap I/O instead of CPU work and the number of workers should be higher than the number of workers for ProcessPoolExecutor.

17.4.2.1. ThreadPoolExecutor の例

import concurrent.futures
import urllib.request

URLS = ['http://www.foxnews.com/',
        'http://www.cnn.com/',
        'http://europe.wsj.com/',
        'http://www.bbc.co.uk/',
        'http://some-made-up-domain.com/']

# Retrieve a single page and report the url and contents
def load_url(url, timeout):
    with urllib.request.urlopen(url, timeout=timeout) as conn:
        return conn.read()

# We can use a with statement to ensure threads are cleaned up promptly
with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
    # Start the load operations and mark each future with its URL
    future_to_url = {executor.submit(load_url, url, 60): url for url in URLS}
    for future in concurrent.futures.as_completed(future_to_url):
        url = future_to_url[future]
        try:
            data = future.result()
        except Exception as exc:
            print('%r generated an exception: %s' % (url, exc))
        else:
            print('%r page is %d bytes' % (url, len(data)))

17.4.3. ProcessPoolExecutor

ProcessPoolExecutor はプロセスプールを使って非同期呼び出しを実施する Executor のサブクラスです。ProcessPoolExecutormultiprocessing モジュールを利用します。このため Global Interpreter Lock を回避することができますが、pickle 化できるオブジェクトしか実行したり返したりすることができません。

__main__ モジュールはワーカサブプロセスでインポート可能でなければなりません。 すなわち、 ProcessPoolExecutor は対話的インタープリタでは動きません。

ProcessPoolExecutor に渡された呼び出し可能オブジェクトから ExecutorFuture メソッドを呼ぶとデッドロックに陥ります。

class concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(max_workers=None)

Executor のサブクラスで、最大 max_workers のプールを使用して非同期な呼び出しを行います。 max_workersNone や与えられなかった場合、デフォルトでマシンのプロセッサの数になります。 max_workers0 以下の場合 ValueError が送出されます。

バージョン 3.3 で変更: ワーカプロセスの1つが突然終了した場合、BrokenProcessPool エラーが送出されるようになりました。 以前は挙動は未定義でしたが、 executor や futures がフリーズしたりデッドロックを起こすことがしばしばでした。

17.4.3.1. ProcessPoolExecutor の例

import concurrent.futures
import math

PRIMES = [
    112272535095293,
    112582705942171,
    112272535095293,
    115280095190773,
    115797848077099,
    1099726899285419]

def is_prime(n):
    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():
    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()

17.4.4. Future オブジェクト

Future クラスは呼び出し可能オブジェクトの非同期実行をカプセル化します。 Future のインスタンスは Executor.submit() によって生成されます。

class concurrent.futures.Future

呼び出し可能オブジェクトの非同期実行をカプセル化します。 Future インスタンスは Executor.submit() で生成され、テストを除いて直接生成すべきではありません。

cancel()

呼び出しのキャンセルを試みます。もし呼び出しが現在実行中でキャンセルすることができない場合、メソッドは False を返します。そうでない場合呼び出しはキャンセルされ、True を返します。

cancelled()

呼び出しが正常にキャンセルされた場合 True を返します。

running()

現在呼び出しが実行中でキャンセルできない場合 True を返します。

done()

呼び出しが正常にキャンセルされたか終了した場合 True を返します。

result(timeout=None)

Return the value returned by the call. If the call hasn’t yet completed then this method will wait up to timeout seconds. If the call hasn’t completed in timeout seconds, then a concurrent.futures.TimeoutError will be raised. timeout can be an int or float. If timeout is not specified or None, there is no limit to the wait time.

future が完了する前にキャンセルされた場合 CancelledError が送出されます。

呼び出しが例外を送出した場合、このメソッドは同じ例外を送出します。

exception(timeout=None)

Return the exception raised by the call. If the call hasn’t yet completed then this method will wait up to timeout seconds. If the call hasn’t completed in timeout seconds, then a concurrent.futures.TimeoutError will be raised. timeout can be an int or float. If timeout is not specified or None, there is no limit to the wait time.

future が完了する前にキャンセルされた場合 CancelledError が送出されます。

呼び出しが例外を送出することなく完了した場合、None を返します。

add_done_callback(fn)

呼び出し可能な fn オブジェクトを future にアタッチします。futureがキャンセルされたか、実行を終了した際に、future をそのただ一つの引数として fn が呼び出されます。

Added callables are called in the order that they were added and are always called in a thread belonging to the process that added them. If the callable raises an Exception subclass, it will be logged and ignored. If the callable raises a BaseException subclass, the behavior is undefined.

もしfutureがすでに完了しているか、キャンセル済みであれば、fn は即座に実行されます。

以下の Future メソッドは、ユニットテストと Executor を実装することを意図しています。

set_running_or_notify_cancel()

This method should only be called by Executor implementations before executing the work associated with the Future and by unit tests.

If the method returns False then the Future was cancelled, i.e. Future.cancel() was called and returned True. Any threads waiting on the Future completing (i.e. through as_completed() or wait()) will be woken up.

If the method returns True then the Future was not cancelled and has been put in the running state, i.e. calls to Future.running() will return True.

This method can only be called once and cannot be called after Future.set_result() or Future.set_exception() have been called.

set_result(result)

Sets the result of the work associated with the Future to result.

This method should only be used by Executor implementations and unit tests.

set_exception(exception)

Sets the result of the work associated with the Future to the Exception exception.

This method should only be used by Executor implementations and unit tests.

17.4.5. モジュール関数

concurrent.futures.wait(fs, timeout=None, return_when=ALL_COMPLETED)

Wait for the Future instances (possibly created by different Executor instances) given by fs to complete. Returns a named 2-tuple of sets. The first set, named done, contains the futures that completed (finished or were cancelled) before the wait completed. The second set, named not_done, contains uncompleted futures.

timeout で結果を返すまで待機する最大秒数を指定できます。timeout は整数か浮動小数点数をとります。timeout が指定されないか None の場合、無期限に待機します。

return_when でこの関数がいつ結果を返すか指定します。指定できる値は以下の 定数のどれか一つです:

定数

説明

FIRST_COMPLETED

いずれかのフューチャが終了したかキャンセルされたときに返します。

FIRST_EXCEPTION

いずれかのフューチャが例外の送出で終了した場合に返します。例外を送出したフューチャがない場合は、ALL_COMPLETED と等価になります。

ALL_COMPLETED

すべてのフューチャが終了したかキャンセルされたときに返します。

concurrent.futures.as_completed(fs, timeout=None)

Returns an iterator over the Future instances (possibly created by different Executor instances) given by fs that yields futures as they complete (finished or were cancelled). Any futures given by fs that are duplicated will be returned once. Any futures that completed before as_completed() is called will be yielded first. The returned iterator raises a concurrent.futures.TimeoutError if __next__() is called and the result isn’t available after timeout seconds from the original call to as_completed(). timeout can be an int or float. If timeout is not specified or None, there is no limit to the wait time.

参考

PEP 3148 – futures - execute computations asynchronously

この機能を Python 標準ライブラリに含めることを述べた提案です。

17.4.6. 例外クラス

exception concurrent.futures.CancelledError

future がキャンセルされたときに送出されます。

exception concurrent.futures.TimeoutError

future の操作が与えられたタイムアウトを超過したときに送出されます。

exception concurrent.futures.process.BrokenProcessPool

RuntimeError から派生しています。 この例外クラスは ProcessPoolExecutor のワーカの1つが正常に終了されなかったとき (例えば外部から kill されたとき) に送出されます。

バージョン 3.3 で追加.