浅谈Python协程

协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。一句话说明什么是线程：协程是一种用户态的轻量级线程。

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此：

协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。

协程的好处：

• 无需线程上下文切换的开销
• 无需原子操作锁定及同步的开销
• "原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序是不可以被打乱，或者切割掉只执行部分。视作整体是原子性的核心。
• 方便切换控制流，简化编程模型
• 高并发+高扩展性+低成本：一个CPU支持上万的协程都不是问题。所以很适合用于高并发处理。

缺点：

• 无法利用多核资源：协程的本质是个单线程,它不能同时将 单个CPU 的多个核用上,协程需要和进程配合才能运行在多CPU上.当然我们日常所编写的绝大部分应用都没有这个必要，除非是cpu密集型应用。
• 进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

使用yield实现协程操作例子

import time
import queue

def consumer(name):
 print("--->starting eating baozi...")
 while True:
 new_baozi = yield
 print("[%s] is eating baozi %s" % (name, new_baozi))
 # time.sleep(1)

def producer(): # 生产者
 r = con.__next__()
 r = con2.__next__()
 n = 0
 while n < 5:
 n += 1
 con.send(n)
 con2.send(n)
 print("\033[32;1m[producer]\033[0m is making baozi %s" % n)

if __name__ == '__main__':
 con = consumer("c1")
 con2 = consumer("c2")
 p = producer()

程序执行的结果为：

--->starting eating baozi...
--->starting eating baozi...
[c1] is eating baozi 1
[c2] is eating baozi 1
[producer] is making baozi 1
[c1] is eating baozi 2
[c2] is eating baozi 2
[producer] is making baozi 2
[c1] is eating baozi 3
[c2] is eating baozi 3
[producer] is making baozi 3
[c1] is eating baozi 4
[c2] is eating baozi 4
[producer] is making baozi 4
[c1] is eating baozi 5
[c2] is eating baozi 5
[producer] is making baozi 5

问题来了，现在之所以能够实现多并发的效果，是因为每一个生产者没有任何花时间的代码,所以他根本没有卡住，如果这个时候在生产者这里sleep（1），那么速度一下子就变慢了，来看下下面的函数

def home():
  print("in func 1")
  time.sleep(5)
  print("home exec done")

def bbs():
  print("in func 2")
  time.sleep(2)

def login():
  print("in func 2")

假如说nginx每次来一个请求都经过函数来处理，但它是一个单线程的情况，假如说nginx请求home页，因为nginx在后台处理是单线程，单线程的情况下同事过来三次请求，那该怎么办？肯定是一次次的串行的执行啊，但是我为了让他实现感觉是并发的效果，我是不是该在各个协程之间实行切换啊，但什么时候切换呢？那么，我问你，如果从一个请求进来直接打印一个print，那么我会在这个地方立刻切换吗？因为这里面没有任何的阻塞，不会被卡主，所以不需要立刻切换。如果他需要干一件事，比如整个home花了5s钟，单线程是串行的，即便是使用了协程，那它还是串行的，为了保证并发的效果，什么时候进行切换？应该time.sleep(5)这里切换到bbs请求，那么bbs如果也sleep呢？那它就切换到下一个login，那么就是这么的切换。怎么才能实现一个单线程下实现上面程序的并发效果呢？就一句话，遇到io操作就切换，协程之所以能处理大并发，其实就是把io操作给挤掉了，就是io操作就切换，也就是这个程序只有CPU在运算，所以速度很快！那么问题又来了切换完之后，那么什么时候在切换回去啊？也就是说，怎么实现程序自动监测io操作完成了？那么就看下一个知识点吧！

Greenlet

greenlet是一个用C实现的协程模块，相比与python自带的yield，它是一块封装好了的协程，可以使你在任意函数之间随意切换，而不需把这个函数先声明为generator。

from greenlet import greenlet
def test1():
 print(12)
 gr2.switch() # 切换到gr2
 print(34)
 gr2.switch() # 切换到gr2

def test2():
 print(56)
 gr1.switch() # 切换到gr1
 print(78)

gr1 = greenlet(test1) # 启动一个协程
gr2 = greenlet(test2) #
gr1.switch() # 切换到gr1

程序执行后的结果为：

12
56
34
78

Gevent

上面的greenlet为手动挡的自动切换，现在来看一下自动挡的自动切换Gevent，遇到IO就切换。

Gevent 是一个第三方库，可以轻松通过gevent实现并发同步或异步编程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 Greenlet全部运行在主程序操作系统进程的内部，但它们被协作式地调度。

来看下非常简单的协程切换小程序

import gevent

def func1():
 print('\033[31;1m李闯在跟海涛搞...\033[0m')
 gevent.sleep(2) # 模仿IO
 print('\033[31;1m李闯又回去跟继续跟海涛搞...\033[0m')

def func2():
 print('\033[32;1m李闯切换到了跟海龙搞...\033[0m')
 gevent.sleep(1)
 print('\033[32;1m李闯搞完了海涛，回来继续跟海龙搞...\033[0m')

gevent.joinall([
 gevent.spawn(func1), # spawn 启动一个协程
 gevent.spawn(func2),
])

程序执行后的结果为：

李闯在跟海涛搞...
李闯切换到了跟海龙搞...
李闯搞完了海涛，回来继续跟海龙搞...
李闯又回去跟继续跟海涛搞...

协程之爬虫

现在利用协程来实现简单的爬虫

from gevent import monkey; monkey.patch_all() # 把当前程序的所有的io操作单独给我做上标记
import gevent # 协程模块
from urllib.request import urlopen # 爬虫所需要的模块

def f(url):
 print('GET: %s' % url)
 resp = urlopen(url)
 data = resp.read()
 print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))

gevent.joinall([ # 利用协程大并发的爬取网页
 gevent.spawn(f, 'https://www.python.org/'),
 gevent.spawn(f, 'https://www.yahoo.com/'),
 gevent.spawn(f, 'https://github.com/'),
])

程序执行的结果为：

GET: https://www.python.org/
GET: https://www.yahoo.com/
GET: https://github.com/
59619 bytes received from https://github.com/.
495691 bytes received from https://www.yahoo.com/.
48834 bytes received from https://www.python.org/.

协程之Socket

通过gevent实现单线程下的多socket并发

# socket_server #

import sys
import socket
import time
import gevent

from gevent import socket,monkey
monkey.patch_all()

def server(port):
 s = socket.socket()
 s.bind(('HW-20180425SPSL', port))
 s.listen(500)
 while True:
 cli, addr = s.accept()
 gevent.spawn(handle_request, cli)

def handle_request(conn):
 try:
 while True:
 data = conn.recv(1024)
 print("recv:", data)
 conn.send(data)
 if not data:
 conn.shutdown(socket.SHUT_WR)
 except Exception as ex:
 print(ex)
 finally:
 conn.close()
if __name__ == '__main__':
 server(8001)

# socket_client #

import socket

HOST = 'HW-20180425SPSL' # The remote host
PORT = 8001 # The same port as used by the server
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))
while True:
 msg = bytes(input(">>:"),encoding="utf8")
 s.sendall(msg)
 data = s.recv(1024)
 #print(data)

 print('Received', repr(data))
 s.close()

程序执行后的结果为：

socket_client.py

>>:lala
Received b'lala'
>>:

socket_server.py

recv: b'heihei'

论事件驱动和异步IO

通常，我们写服务器处理模型的程序时，有以下几种模型：
（1）每收到一个请求，创建一个新的进程，来处理该请求；

（2）每收到一个请求，创建一个新的线程，来处理该请求；

（3）每收到一个请求，放入一个事件列表，让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求

上面的几种方式，各有千秋，

第（1）中方法，由于创建新的进程的开销比较大，所以，会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。

第（2）种方式，由于要涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。

第（3）种方式，在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂。

综合考虑各方面因素，一般普遍认为第（3）种方式是大多数网络服务器采用的方式

看图说话讲事件驱动模型

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？

方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：

1. CPU资源浪费，可能鼠标点击的频率非常小，但是扫描线程还是会一直循环检测，这会造成很多的CPU资源浪费；如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢？

2. 如果是堵塞的，又会出现下面这样的问题，如果我们不但要扫描鼠标点击，还要扫描键盘是否按下，由于扫描鼠标时被堵塞了，那么可能永远不会去扫描键盘；

3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多，这又会引来响应时间的问题；
所以，该方式是非常不好的。

方式二：就是事件驱动模型

目前大部分的UI编程都是事件驱动模型，如很多UI平台都会提供onClick()事件，这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下：

1. 有一个事件（消息）队列；

2. 鼠标按下时，往这个队列中增加一个点击事件（消息）；

3. 有个循环，不断从队列取出事件，根据不同的事件，调用不同的函数，如onClick()、onKeyDown()等；

4. 事件（消息）一般都各自保存各自的处理函数指针，这样，每个消息都有独立的处理函数；

什么是事件驱动模型？

其实就是根据事件做出反应！

事件驱动编程是一种编程范式，这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环，当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是（单线程）同步以及多线程编程。

让我们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展示了随着时间的推移，这三种模式下程序所做的工作。这个程序有3个任务需要完成，每个任务都在等待I/O操作时阻塞自身。阻塞在I/O操作上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

在单线程同步模型中，任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞，其他所有的任务都必须等待，直到它完成之后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。如果任务之间并没有互相依赖的关系，但仍然需要互相等待的话这就使得程序不必要的降低了运行速度。

在多线程版本中，这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操作系统来管理，在多处理器系统上可以并行处理，或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比，这种方式更有效率，但程序员必须写代码来保护共享资源，防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断，因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题，如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

在事件驱动版本的程序中，3个任务交错执行，但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其他昂贵的操作时，注册一个回调到事件循环中，然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件，当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为，因为程序员不需要关心线程安全问题。

当我们面对如下的环境时，事件驱动模型通常是一个好的选择：

　　1、程序中有许多任务，而且…

　　2、任务之间高度独立（因此它们不需要互相通信，或者等待彼此）而且…

　　3、在等待事件到来时，某些任务会阻塞。

当应用程序需要在任务间共享可变的数据时，这也是一个不错的选择，因为这里不需要采用同步处理。

网络应用程序通常都有上述这些特点，这使得它们能够很好的契合事件驱动编程模型。

此处要提出一个问题，就是，上面的事件驱动模型中，只要一遇到IO就注册一个事件，然后主程序就可以继续干其它的事情了，只到io处理完毕后，继续恢复之前中断的任务，这本质上是怎么实现的呢？哈哈，下面我们就来一起揭开这神秘的面纱。。。。

请看详解Python IO口多路复用这篇文章

以上就是浅谈Python协程的详细内容，更多关于Python协程的资料请关注我们其它相关文章！