协程

协程

　　协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。一句话说明什么是协程：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。

　　在并发编程中，协程与线程类似，每个协程表示一个执行单元，有自己的本地数据，与其它协程共享全局数据和其它资源。

使用协程的原因：

　　目前主流语言基本上都选择了多线程作为并发设施，与线程相关的概念是抢占式多任务（Preemptive multitasking），而与协程相关的是协作式多任务。

不管是进程还是线程，每次阻塞、切换都需要陷入系统调用(system call)，先让CPU跑操作系统的调度程序，然后再由调度程序决定该跑哪一个进程(线程)。
而且由于抢占式调度执行顺序无法确定的特点，使用线程时需要非常小心地处理同步问题，而协程完全不存在这个问题（事件驱动和异步程序也有同样的优点）。

　　因为协程是用户自己来编写调度逻辑的，对CPU来说，协程其实是单线程，所以CPU不用去考虑怎么调度、切换上下文，这就省去了CPU的切换开销，所以协程在一定程度上又好于多线程。　　

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

协程与线程还有进程的关系：

　　协程不能调度其他进程中的上下文。而后，每个协程要获得CPU，都必须在线程中执行。因此，协程所能利用的CPU数量，和用于处理协程的线程数量直接相关。

　　作为推论，在单个线程中执行的协程，可以视为单线程应用。这些协程，在未执行到特定位置(基本就是阻塞操作)前，是不会被抢占，也不会和其他CPU上的上下文发生同步问题的。因此，一段协程代码，中间没有可能导致阻塞的调用，执行在单个线程中。那么这段内容可以被视为同步的。

　　我们经常可以看到某些协程应用，一启动就是数个进程。这并不是跨进程调度协程。一般来说，这是将一大群fd分给多个进程，每个进程自己再做fd-协程对应调度。

 

 

协程的特性：

  1. 必须在只有一个单线程里实现并发
  2. 修改共享数据不需加锁
  3. 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
  4. 一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程

 

协程之所以可以处理大并发的实质：遇到IO操作就切换

用在generator中的yield可以一定程度上实现协程 

# 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：
import time

def consumer(name):
    print("--->starting eating baozi...")
    while True:
        new_baozi = yield #生成器 同时yeild可以接收返回值
        print("[%s] is eating baozi %s" % (name, new_baozi))
        # time.sleep(1)

def producer():
    r = con.__next__()
    r = con2.__next__()
    n = 0
    while n < 100:
        n += 1
        con.send(n)#Resumes the generator and "sends" a value that becomes the result of the current yield-expression  唤醒了生成器，并给它发送了一个值
        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()
View Code

greenlet

　　greenlet是一个用C实现的协程模块，相比与python自带的yield，它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

# greenlet
from greenlet import greenlet

def test1():
    print(12)
    gr2.switch()#切换到gr2
    print(34)
    gr2.switch() #切换回到gr2，从上次断开的地方开始

def test2():
    print(56)
    gr1.switch()#切换回到gr1，从上次断开的地方
    print(78)

gr1 = greenlet(test1)
gr2 = greenlet(test2)
gr1.switch()#切换到gr1
View Code

　　像上述这样手动切换岂不是显得很麻烦，有没有更简便的方法呢？答案当然是肯定的，gevent就可以帮我们实现

gevent

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。

　　当一个greenlet遇到IO操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO。

　　由于切换是在IO操作时自动完成，所以gevent需要修改Python自带的一些标准库，这一过程在启动时通过monkey patch完成：

import gevent

def foo():
    print('Running in foo')
    gevent.sleep(2)
    print('Explicit context switch to foo again')

def bar():
    print('Explicit context to bar')
    gevent.sleep(1)
    print('Implicit context switch back to bar')

def func():
    print('func')
    time.sleep(0)
    print('func again')
gevent.joinall([
    gevent.spawn(foo),
    gevent.spawn(bar),
    gevent.spawn(func)
])

#执行结果
Running in foo
Explicit context to bar
func
func again
Implicit context switch back to bar
Explicit context switch to foo again
gevent
from gevent import monkey; monkey.patch_all()
import gevent
import urllib.request

def f(url):
    print('GET: %s' % url)
    resp = urllib.request.urlopen(url)#由于gevent是检测不到urllib模块的IO操作的，故这里进行的其实也是串行的操作，并没有到达协程的效果
    data = resp.read()
    print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))

gevent.joinall([
        gevent.spawn(f, 'https://www.python.org/'),
        gevent.spawn(f, 'https://www.yahoo.com/'),
        gevent.spawn(f, 'https://github.com/'),
])
遇到IO自动切换

 

#同步与异步的性能区别
import gevent

def task(pid):
    """
    Some non-deterministic task
    """
    gevent.sleep(0.5)
    print('Task %s done' % pid)

def synchronous():#同步
    for i in range(1, 10):
        task(i)

def asynchronous():#异步
    threads = [gevent.spawn(task, i) for i in range(10)]
    gevent.joinall(threads)

print('Synchronous:')
synchronous()

print('Asynchronous:')
asynchronous()

#上面程序的重要部分是将task函数封装到Greenlet内部线程的gevent.spawn。 初始化的greenlet列表存放在数组threads中，此数组被传给gevent.joinall 函数，后者阻塞当前流程，并执行所有给定的greenlet。执行流程只会在 所有greenlet执行完后才会继续向下走。　　
异步与同步的性能区别

通过gevent实现单线程下的多socket并发

import sys
import socket
import time
import gevent

from gevent import socket, monkey
#打上补丁
monkey.patch_all()#把当前程序所有的IO操作单独做上标记
def server(port):
    s = socket.socket()#gevent是检测不到socket模块的IO操作的
    s.bind(('0.0.0.0', 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_server

 

import socket

HOST = 'localhost'  # 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()


#并发100个socket连接
“”"
import socket
import threading

def sock_conn(num):

    client = socket.socket()

    client.connect(("localhost",8001))
    count = 0
    while count<5:
        #msg = input(">>:").strip()
        #if len(msg) == 0:continue
        client.send( ("hello %s" %count).encode("utf-8"))

        data = client.recv(1024)

        print("[%s]recv from server:" %threading.get_ident(),data.decode(),num) #结果
        count +=1
    client.close()

for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=sock_conn,args=(i,))
    t.start()
"“”
socket_client

 

posted @ 2017-03-08 12:06  似是故人来~  阅读(602)  评论(0)  编辑  收藏  举报