随着程序复杂度和数据量的不断增加，传统的同步编程方式已经无法满足开发人员的需求。异步编程随之产生，能够提供更高的并发性能和更好的资源利用率。Python的concurrent.futures模块是一个很好的异步编程工具，它提供了一组接口，可以方便地进行并发编程。

Python中已经有了threading模块，为什么还需要这些线程池、进程池处理呢？以Python爬虫为例，需要控制同时爬取的线程数，比如我们创建了20甚至100个线程，而同时只允许5-10个线程在运行，但是20-100个线程都需要创建和销毁，线程的创建是需要消耗系统资源的，有没有更好的方案呢？

其实只需要同时创建运行5-10个线程就可以，每个线程各分配一个任务，剩下的任务排队等待，当某个线程完成了任务的时候，排队任务就可以安排给这个线程继续执行。

然而自己编写线程池很难写的比较完美，还需要考虑复杂情况下的线程同步，很容易发生死锁。而从Python3.2 开始，标准库为我们提供了concurrent.futures模块，它提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor两个类，实现了对 threading 和 multiprocessing 的进一步抽象，不仅可以帮我们自动调度线程，还可以做到：

• 主线程可以获取某一个线程（或者任务的）的状态，以及返回值。
  
• 当一个线程完成的时候，主线程能够立即知道。
  
• 让多线程和多进程的编码接口一致。

简介

concurrent.futures 模块是 Python3.2 中引入的新模块，用于支持异步执行，以及在多核CPU和网络I/O中进行高效的并发编程。这个模块提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor两个类，简化了跨平台异步编程的实现。

首先，让我们先来理解两种并发编程的方式：

1、多进程

当通过多进程来实现并发编程时，程序会将任务分配给多个进程，这些进程可以在不同的CPU上同时运行。进程之间是独立的，各自有自己的内存空间等，可以实现真正的并行执行。不过，进程之间的通信比较耗时，需要使用IPC(进程间通信)机制，而且进程之间的切换比线程之间的切换耗时，所以创建进程的代价较高。

2、多线程

当通过多线程来实现并发编程时，程序会将任务分配给多个线程，这些线程可以在同一个进程中的不同CPU核上同时运行。线程之间共享进程的内存空间，因此开销比较小。但是需要注意，在Python解释器中，线程是无法实现真正的并行执行，因为Python有GIL（全局解释器锁），它确保同时只有一个线程运行Python代码。因此，一个Python进程中的多个线程并不能并行执行，在使用多线程编程时不能完全利用多核CPU。

简单使用（案例及使用参数说明）

concurrent.futures 是Python中执行异步编程的重要工具，它提供了以下两个类：

1、ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 创建一个线程池，任务可以提交到这个线程池中执行。ThreadPoolExecutor 比ProcessPoolExecutor 更容易使用，且没有像进程那样的开销。它可以让我们在一个Python解释器中进行跨线程异步编程，因为它规避了GIL。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def test(num):
    print("Threads" num)
# 新建ThreadPoolExecutor对象并指定最大的线程数量
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    # 提交多个任务到线程池中
    executor.submit(test, 1)
    executor.submit(test, 2)
    executor.submit(test, 3)

输出结果：

Thread 1
Thread 2
Thread 3

2、ProcessPoolExecutor

ProcessPoolExecutor 创建一个进程池，任务可以提交到这个进程池中执行。当对于单个任务的处理开销很大，例如大规模计算密集型应用，应该使用这个线程池。

示例：

from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor
def test(num):
    print("Processs" num)
# 新建ProcessPoolExecutor对象并指定最大的进程数量
with ProcessPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    # 提交多个任务到进程池中
    executor.submit(test, 1)
    executor.submit(test, 2)
    executor.submit(test, 3)

输出结果：

Process 2
Process 1
Process 3

等待任务完成

1、ThreadPoolExecutor构造实例的时候，传入max_workers参数来设置线程池中最多能同时运行的线程数目。

2、使用submit函数来提交线程需要执行的任务（函数名和参数）到线程池中，并返回该任务的句柄，注意submit()不是阻塞的，而是立即返回。

3、通过submit函数返回的任务句柄，能够使用done()方法判断该任务是否结束。

4、使用cancel()方法可以取消提交的任务，如果任务已经在线程池中运行了，就取消不了。

5、使用result()方法可以获取任务的返回值。查看内部代码，发现这个方法是阻塞的。

在提交任务之后，我们通常需要等待它们完成，可以使用如下方法：

1、result()

用于获取 submit() 方法返回的 Future 对象的结果。该方法是同步的，Block主线程，直至得到结果或者抛异常。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def test(num):
    print("Tasks" num)
# 新建ThreadPoolExecutor对象并指定最大的线程数量
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    # 提交多个任务到线程池中，并使用result方法等待任务完成
    future_1 = executor.submit(test, 1)
    future_2 = executor.submit(test, 2)
    future_3 = executor.submit(test, 3)
    print(future_1.result())

输出：

Task 1
Task 2
Task 3
None

2、add_done_callback()

给每个 submit() 返回的 Future 对象添加一个“完成时”的回调函数。主线程运行完毕而不需要等待任务完成，这个回调函数会在任务完成时自动执行。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def callback(future):
    print("Task done? ", future.done())
    print("Result: ", future.result())
# 新建ThreadPoolExecutor对象并指定最大的线程数量
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    # 提交多个任务到线程池中，并添加“完成时”回调函数
    future_1 = executor.submit(pow, 2, 4)
    future_2 = executor.submit(pow, 3, 4)
    callback_future_1 = executor.submit(callback, future_1)

ThreadPoolExecutor类常用方法

ThreadPoolExecutor、ProcessPoolExecutor类下方法名大多都是同样的，只不过因为一个是线程方式、一个是进程方式，底层逻辑实现可能不同。由于我们在日常开发过程中，线程 ThreadPoolExecutor 使用的较多，所以以 ThreadPoolExecutor 为主要使用对象进行说明讲解

当使用 ThreadPoolExecutor 创建的线程池对象后，我们可以使用 submit、map、shutdown等方法来操作线程池中的线程以及任务。

1、submit方法

ThreadPoolExecutor的submit方法用于将任务提交到线程池中进行处理，该方法返回一个Future对象，代表将来会返回结果的值。submit方法的语法如下：

submit(fn, *args, **kwargs)

其中，fn参数是要执行的函数，*args和**kwargs是fn的参数。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def multiply(x, y):
    return x * y
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    future = executor.submit(multiply, 10, 5)
    print(future.result()) # 50

2、map方法

ThreadPoolExecutor的map方法用于将函数应用于迭代器中的每个元素，该方法返回一个迭代器。map方法的语法如下：

map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1)

其中，func参数是要执行的函数，*iterables是一个或多个迭代器，timeout和chunksize是可选参数。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def square(x):
    return x * x
def cube(x):
    return x * x * x
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    results = executor.map(square, [1, 2, 3, 4, 5])
    for square_result in results:
        print(square_result)
    results = executor.map(cube, [1, 2, 3, 4, 5])
    for cube_result in results:
        print(cube_result)

3、shutdown方法

ThreadPoolExecutor的shutdown方法用于关闭线程池，该方法在所有线程执行完毕后才会关闭线程池。shutdown方法的语法如下：

shutdown(wait=True)

其中，wait参数表示是否等待所有任务执行完毕后才关闭线程池，默认为True。

示例：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import time
def task(num):
    print("Task {} is running".format(num))
    time.sleep(1)
    return "Task {} is complete".format(num)
with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    futures = [executor.submit(task, i) for i in range(1, 4)]
    executor.shutdown()

源码分析

cocurrent.future模块中的future的意思是未来对象，可以把它理解为一个在未来完成的操作，这是异步编程的基础 。在线程池submit()之后，返回的就是这个future对象，返回的时候任务并没有完成，但会在将来完成。也可以称之为任务的返回容器，这个里面会存储任务的结果和状态。

那ThreadPoolExecutor内部是如何操作这个对象的呢？下面简单介绍 ThreadPoolExecutor 的部分代码：

1、init方法

init方法中主要重要的就是任务队列和线程集合，在其他方法中需要使用到。

init源码解析

2、submit方法

submit中有两个重要的对象，_base.Future()和_WorkItem()对象，_WorkItem()对象负责运行任务和对**future对象进行设置，最后会将future对象返回，可以看到整个过程是立即返回的，没有阻塞。

submit源码解析

总结

在Python asyncio模块的基础之上，concurrent.futures模块为Python提供了一种简单高效的异步编程方式，它支持同步、线程、进程等多种并发执行方式，为开发人员提供了更加灵活高效的并发解决方案。我们可以使用submit、map、shutdown等方法来操作线程池中的线程以及任务，使用Future对象（异步编程的核心）来管理任务状态，更加方便地进行任务提交、状态管理和线程池的管理和控制。

在实际开发过程中，我们需要根据具体的应用场景，选择适当的异步编程工具和方式，以获得更好的效果。总之，concurrent.futures模块是Python异步编程中一个非常好的利器。