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


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ー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。

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)

Schedules the callable, fn, to be executed as fn(*args, **kwargs) and returns a Future object representing the execution of the callable.

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

Similar to map(func, *iterables) except:

  • the iterables are collected immediately rather than lazily;

  • func is executed asynchronously and several calls to func may be made concurrently.

The returned iterator raises a 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.

もし func の呼び出しが例外を送出した場合、その例外はイテレータから値を受け取る時に送出されます。

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, *, cancel_futures=False)

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。

waitTrue の場合、すべての未完了のフューチャの実行が完了して Executor に関連付けられたリソースが解放されるまで、このメソッドは返りません。 waitFalse の場合、このメソッドはすぐに返り、すべての未完了のフューチャの実行が完了したときに、 Executor に関連付けられたリソースが解放されます。 wait の値に関係なく、すべての未完了のフューチャの実行が完了するまで Python プログラム全体は終了しません。

If cancel_futures is True, this method will cancel all pending futures that the executor has not started running. Any futures that are completed or running won't be cancelled, regardless of the value of cancel_futures.

If both cancel_futures and wait are True, all futures that the executor has started running will be completed prior to this method returning. The remaining futures are cancelled.

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')

バージョン 3.9 で変更: cancel_futures が追加されました。

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, thread_name_prefix='', initializer=None, initargs=())

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。

All threads enqueued to ThreadPoolExecutor will be joined before the interpreter can exit. Note that the exit handler which does this is executed before any exit handlers added using atexit. This means exceptions in the main thread must be caught and handled in order to signal threads to exit gracefully. For this reason, it is recommended that ThreadPoolExecutor not be used for long-running tasks.

initializer is an optional callable that is called at the start of each worker thread; initargs is a tuple of arguments passed to the initializer. Should initializer raise an exception, all currently pending jobs will raise a BrokenThreadPool, as well as any attempt to submit more jobs to the pool.

バージョン 3.5 で変更: max_workersNone か指定されない場合のデフォルト値はマシンのプロセッサの数に 5 を掛けたものになります。これは、 ThreadPoolExecutor は CPU の処理ではなく I/O をオーバーラップするのによく使用されるため、 ProcessPoolExecutor のワーカーの数よりもこのワーカーの数を増やすべきであるという想定に基づいています。

バージョン 3.6 で追加: thread_name_prefix 引数が追加され、デバッグしやすくなるようにプールから作られたワーカスレッド threading.Thread の名前を管理できるようになりました。

バージョン 3.7 で変更: initializerinitargs 引数が追加されました。

バージョン 3.8 で変更: Default value of max_workers is changed to min(32, os.cpu_count() + 4). This default value preserves at least 5 workers for I/O bound tasks. It utilizes at most 32 CPU cores for CPU bound tasks which release the GIL. And it avoids using very large resources implicitly on many-core machines.

ThreadPoolExecutor now reuses idle worker threads before starting max_workers worker threads too.

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)))

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, mp_context=None, initializer=None, initargs=(), max_tasks_per_child=None)

An Executor subclass that executes calls asynchronously using a pool of at most max_workers processes. If max_workers is None or not given, it will default to the number of processors on the machine. If max_workers is less than or equal to 0, then a ValueError will be raised. On Windows, max_workers must be less than or equal to 61. If it is not then ValueError will be raised. If max_workers is None, then the default chosen will be at most 61, even if more processors are available. mp_context can be a multiprocessing context or None. It will be used to launch the workers. If mp_context is None or not given, the default multiprocessing context is used.

initializer is an optional callable that is called at the start of each worker process; initargs is a tuple of arguments passed to the initializer. Should initializer raise an exception, all currently pending jobs will raise a BrokenProcessPool, as well as any attempt to submit more jobs to the pool.

max_tasks_per_child is an optional argument that specifies the maximum number of tasks a single process can execute before it will exit and be replaced with a fresh worker process. By default max_tasks_per_child is None which means worker processes will live as long as the pool. When a max is specified, the "spawn" multiprocessing start method will be used by default in absence of a mp_context parameter. This feature is incompatible with the "fork" start method.

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。

バージョン 3.7 で変更: The mp_context argument was added to allow users to control the start_method for worker processes created by the pool.

initializerinitargs 引数が追加されました。

バージョン 3.11 で変更: The max_tasks_per_child argument was added to allow users to control the lifetime of workers in the pool.

ProcessPoolExecutor の例

import concurrent.futures
import math

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

def is_prime(n):
    if n < 2:
        return False
    if n == 2:
        return True
    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()

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()

Attempt to cancel the call. If the call is currently being executed or finished running and cannot be cancelled then the method will return False, otherwise the call will be cancelled and the method will return True.

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 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。

If the call raised an exception, this method will raise the same exception.

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 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。

追加された呼び出し可能オブジェクトは、追加された順番で呼びだされ、追加を行ったプロセスに属するスレッド中で呼び出されます。もし呼び出し可能オブジェクトが Exception のサブクラスを送出した場合、それはログに記録され無視されます。呼び出し可能オブジェクトが BaseException のサブクラスを送出した場合の動作は未定義です。

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、ユニットテストでの使用と Executor を実装することを意図しています。

set_running_or_notify_cancel()

このメソッドは、Future に関連付けられたワークやユニットテストによるワークの実行前に、 Executor の実装によってのみ呼び出してください。

このメソッドが False を返す場合、 Future はキャンセルされています。つまり、 Future.cancel() が呼び出されて True が返っています。Future の完了を (as_completed() または wait() により) 待機するすべてのスレッドが起動します。

このメソッドが True を返す場合、 Future はキャンセルされて、実行状態に移行されています。つまり、 Future.running() を呼び出すと True が返ります。

このメソッドは、一度だけ呼び出すことができ、Future.set_result() または Future.set_exception() がキャンセルされた後には呼び出すことができません。

set_result(result)

Future に関連付けられたワークの結果を result に設定します。

このメソッドは、 Executor の実装またはユニットテストによってのみ使用してください。

バージョン 3.8 で変更: This method raises concurrent.futures.InvalidStateError if the Future is already done.

set_exception(exception)

Future に関連付けられたワークの結果を Exception exception に設定します。

このメソッドは、 Executor の実装またはユニットテストによってのみ使用してください。

バージョン 3.8 で変更: This method raises concurrent.futures.InvalidStateError if the Future is already done.

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. Duplicate futures given to fs are removed and will be returned only once. Returns a named 2-tuple of sets. The first set, named done, contains the futures that completed (finished or cancelled futures) before the wait completed. The second set, named not_done, contains the futures that did not complete (pending or running 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 cancelled futures). 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 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。

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

A deprecated alias of TimeoutError, raised when a future operation exceeds the given timeout.

バージョン 3.11 で変更: This class was made an alias of TimeoutError.

exception concurrent.futures.BrokenExecutor

Derived from RuntimeError, this exception class is raised when an executor is broken for some reason, and cannot be used to submit or execute new tasks.

バージョン 3.7 で追加.

exception concurrent.futures.InvalidStateError

Raised when an operation is performed on a future that is not allowed in the current state.

バージョン 3.8 で追加.

exception concurrent.futures.thread.BrokenThreadPool

Derived from BrokenExecutor, this exception class is raised when one of the workers of a ThreadPoolExecutor has failed initializing.

バージョン 3.7 で追加.

exception concurrent.futures.process.BrokenProcessPool

BrokenExecutor から派生しています(以前は RuntimeError でした)。 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.