Python3入门之协程

python协程

1.协程

1.1协程的概念

　　协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。一句话说明什么是协程：协程是一种用户态的轻量级线程。（其实并没有说明白~）

　　我觉得单说协程，比较抽象，如果对线程有一定了解的话，应该就比较好理解了。

　　那么这么来理解协程比较容易：

　　线程是系统级别的，它们是由操作系统调度；协程是程序级别的，由程序员根据需要自己调度。我们把一个线程中的一个个函数叫做子程序，那么子程序在执行过程中可以中断去执行别的子程序；别的子程序也可以中断回来继续执行之前的子程序，这就是协程。也就是说同一线程下的一段代码<1>执行着执行着就可以中断，然后跳去执行另一段代码，当再次回来执行代码块<1>的时候，接着从之前中断的地方开始执行。

　　比较专业的理解是：

　　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。

1.2 协程的优缺点

协程的优点：

　　（1）无需线程上下文切换的开销，协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能（但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力）

　　（2）无需原子操作锁定及同步的开销

　　（3）方便切换控制流，简化编程模型

　　（4）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。

协程的缺点：

　　（1）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。

　　（2）进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

2 Python中如何实现协程

2.1 yield实现协程　　

　　前文所述“子程序（函数）在执行过程中可以中断去执行别的子程序；别的子程序也可以中断回来继续执行之前的子程序”，那么很容易想到Python的yield，显然yield是可以实现这种切换的。

　　传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息，一个线程取消息，通过锁机制控制队列和等待，但一不小心就可能死锁。

　　如果改用协程，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产，效率极高：

使用yield实现协程操作例子：

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    c.send(None)
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
    c.close()

c = consumer()
produce(c)

执行结果：

[PRODUCER] Producing 1...
[CONSUMER] Consuming 1...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 2...
[CONSUMER] Consuming 2...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 3...
[CONSUMER] Consuming 3...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 4...
[CONSUMER] Consuming 4...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 5...
[CONSUMER] Consuming 5...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK

注意到consumer函数是一个generator(生成器)，把一个consumer传入produce后：

1. 首先调用c.send(None)启动生成器；

2. 然后，一旦生产了东西，通过c.send(n)切换到consumer执行；

3. consumer通过yield拿到消息，处理，又通过yield把结果传回；

4. produce拿到consumer处理的结果，继续生产下一条消息；

5. produce决定不生产了，通过c.close()关闭consumer，整个过程结束。

整个流程无锁，由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。

2.2 greenlet实现协程

　　Python的 greenlet就相当于手动切换，去执行别的子程序，在“别的子程序”中又主动切换回来。。。

　　一般greenlet过于底层，一般我们不会使用到；通常我们会使用gevent(其底层主要是greenlet)

#! /usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-

from greenlet import greenlet
# greenlet 其实就是手动切换；gevent是对greenlet的封装，可以实现自动切换

def test1():
    print("123")
    gr2.switch()   # 切换去执行test2
    print("456")
    gr2.switch()   # 切换回test2之前执行到的位置，接着执行

def test2():    
    print("789")
    gr1.switch()   # 切换回test1之前执行到的位置，接着执行
    print("666")


gr1 = greenlet(test1)   # 启动一个协程 注意test1不要加()
gr2 = greenlet(test2)   #
gr1.switch()

2.3  gevent 实现协程

　　Gevent 是一个第三方库，可以轻松通过gevent实现协程程，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。

　　gevent会主动识别程序内部的IO操作，当子程序遇到IO后，切换到别的子程序。如果所有的子程序都进入IO，则阻塞。

协程之gevent例子：

#! /usr/bin/env python3
# -*- coding:utf-8 -*-

import gevent

def func1():
    print("func1 running")
    gevent.sleep(2)             # gevent内部函数模拟io操作
    print("switch func1")

def func2():
    print("func2 running")
    gevent.sleep(1)
    print("switch func2")

def func3():
    print("func3  running")
    gevent.sleep(0)
    print("func3 done..")

gevent.joinall([gevent.spawn(func1),
                gevent.spawn(func2),
                gevent.spawn(func3),
                ])

执行结果：

func1 running
func2 running
func3  running
func3 done..
switch func2
switch func

通过gevent实现【单线程】下的多socket并发

server：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author        : Chengd
# @Filename      : gevnt_sockserver.py
# @Last modified : 2017-11-24  16:31
# @Description   :

import sys
import socket
import time
import gevent
from gevent import socket,monkey
monkey.patch_all()

def server(port):
    s = socket.socket()
    s.bind(('0.0.0.0', port))
    s.listen(500)
    while True:
        cli, addr = s.accept()
        print("Welcome %s to SocketServer" % str(addr[0]))
        gevent.spawn(handle_request, cli)

def handle_request(conn):
    try:
        data = conn.recv(1024)
        print("recv:", data)
        data = 'From SockeServer:192.168.88.118---%s' % data.decode("utf8")
        conn.sendall(bytes(data, encoding="utf8"))
        if not data:
            conn.shutdown(socket.SHUT_WR)
    except Exception as ex:
        print(ex)
    finally:
        conn.close()

if __name__ == '__main__':
    server(8888)

client(gevent模拟并发效果):

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author        : Chengd
# @Filename      : geven_sockclient.py
# @Last modified : 2017-11-24  17:05
# @Description   :

import socket
import gevent
from gevent import socket, monkey
import time

monkey.patch_all()

HOST = '192.168.88.118'
PORT = 8888
def sockclient(i):
    s = socket.socket()
    s.connect((HOST, PORT))
    print(gevent.getcurrent())
    msg = bytes(("This is thread: %s" % i),encoding="utf8")
    s.sendall(msg)
    data = s.recv(1024)
    print("Received", data.decode())

    s.close()

threads = [gevent.spawn(sockclient, i) for i in range(10)]
gevent.joinall(threads)