并发编程之 协程
阅读目录
- 一 引子
- 二 协程介绍
- 三 Greenlet模块
- 四 Gevent模块
引子
之前我们学习了线程、进程的概念,了解了在操作系统中进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。按道理来说我们已经算是把cpu的利用率提高很多了。但是我们知道无论是创建多进程还是创建多线程来解决问题,都要消耗一定的时间来创建进程、创建线程、以及管理他们之间的切换。
随着我们对于效率的追求不断提高,基于单线程来实现并发又成为一个新的课题,即只用一个主线程(很明显可利用的cpu只有一个)情况下实现并发。这样就可以节省创建线进程所消耗的时间。
为此我们需要先回顾下并发的本质:切换+保存状态
cpu正在运行一个任务,会在两种情况下切走去执行其他的任务(切换由操作系统强制控制),一种情况是该任务发生了阻塞,另外一种情况是该任务计算的时间过长
ps:在介绍进程理论时,提及进程的三种执行状态,而线程才是执行单位,所以也可以将上图理解为线程的三种状态
一:其中第二种情况并不能提升效率,只是为了让cpu能够雨露均沾,实现看起来所有任务都被“同时”执行的效果,如果多个任务都是纯计算的,这种切换反而会降低效率。
为此我们可以基于yield来验证。yield本身就是一种在单线程下可以保存任务运行状态的方法,我们来简单复习一下:
#1 yiled可以保存状态,yield的状态保存与操作系统的保存线程状态很像,但是yield是代码级别控制的,更轻量级 #2 send可以把一个函数的结果传给另外一个函数,以此实现单线程内程序之间的切换
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
二:第一种情况的切换。在任务一遇到io情况下,切到任务二去执行,这样就可以利用任务一阻塞的时间完成任务二的计算,效率的提升就在于此。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
对于单线程下,我们不可避免程序中出现io操作,但如果我们能在自己的程序中(即用户程序级别,而非操作系统级别)控制单线程下的多个任务能在一个任务遇到io阻塞时就切换到另外一个任务去计算,这样就保证了该线程能够最大限度地处于就绪态,即随时都可以被cpu执行的状态,相当于我们在用户程序级别将自己的io操作最大限度地隐藏起来,从而可以迷惑操作系统,让其看到:该线程好像是一直在计算,io比较少,从而更多的将cpu的执行权限分配给我们的线程。
协程的本质就是在单线程下,由用户自己控制一个任务遇到io阻塞了就切换另外一个任务去执行,以此来提升效率。为了实现它,我们需要找寻一种可以同时满足以下条件的解决方案:
#1. 可以控制多个任务之间的切换,切换之前将任务的状态保存下来,以便重新运行时,可以基于暂停的位置继续执行。 #2. 作为1的补充:可以检测io操作,在遇到io操作的情况下才发生切换
协程介绍
协程:是单线程下的并发,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,即协程是由用户程序自己控制调度的。、
需要强调的是:
#1. python的线程属于内核级别的,即由操作系统控制调度(如单线程遇到io或执行时间过长就会被迫交出cpu执行权限,切换其他线程运行) #2. 单线程内开启协程,一旦遇到io,就会从应用程序级别(而非操作系统)控制切换,以此来提升效率(!!!非io操作的切换与效率无关)
对比操作系统控制线程的切换,用户在单线程内控制协程的切换
优点如下:
#1. 协程的切换开销更小,属于程序级别的切换,操作系统完全感知不到,因而更加轻量级 #2. 单线程内就可以实现并发的效果,最大限度地利用cpu
缺点如下:
#1. 协程的本质是单线程下,无法利用多核,可以是一个程序开启多个进程,每个进程内开启多个线程,每个线程内开启协程 #2. 协程指的是单个线程,因而一旦协程出现阻塞,将会阻塞整个线程
总结协程特点:
- 必须在只有一个单线程里实现并发
- 修改共享数据不需加锁
- 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
- 附加:一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程(如何实现检测IO,yield、greenlet都无法实现,就用到了gevent模块(select机制))
Greenlet模块
安装 :pip3 install greenlet
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
from greenlet import greenlet def eat(name): print('%s eating start'%name) g2.switch('lilei') print('%s eating end' % name) g2.switch() def play(name): print('%s playing start' % name) g1.switch() print('%s playing end' % name) g1=greenlet(eat) g2=greenlet(play) g1.switch('lilei') #可以在第一次switch时传入参数,以后都不需要
单纯的切换(在没有io的情况下或者没有重复开辟内存空间的操作),反而会降低程序的执行速度
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
greenlet只是提供了一种比generator更加便捷的切换方式,当切到一个任务执行时如果遇到io,那就原地阻塞,仍然是没有解决遇到IO自动切换来提升效率的问题。
单线程里的这20个任务的代码通常会既有计算操作又有阻塞操作,我们完全可以在执行任务1时遇到阻塞,就利用阻塞的时间去执行任务2。。。。如此,才能提高效率,这就用到了Gevent模块。
Gevent模块
安装:pip3 install 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
g1=gevent.spawn(fun1,1,2,3,x=4,y=5)创建一个协程对象g1,spawn函数第一个参数是函数名,如eat;后面的的是形参, 可以是位置参数或关键字参数,都是传给eat的。 g2=gevent.spawn(fun2) g1.join()#等待g1结束 g2.join()#等待g1结束 或者上面两步合为一步:gevent.joinall(g1,g2) g1.value#拿到fun1的返回值
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import gevent,time def eat(name): print('%s eat start'%name) gevent.sleep(2) #无法识别time.sleep() print('%s eat end' % name) def play(name): print('%s play start'%name) gevent.sleep(1) #无法识别time.sleep() print('%s play end' % name) g1=gevent.spawn(eat,'koko') g2=gevent.spawn(play,'lily') g1.join() g2.join() #或gevent.joinall([g1,g2]) print('main')
上例gevent.sleep(2)模拟的是gevent可以识别的io阻塞,而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码,打补丁,就可以识别了
from gevent import monkey;monkey.patch_all()必须放到被打补丁者的前面,如time,socket模块之前
或者我们干脆记忆成:要用gevent,需要将from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的开头
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
import gevent,time from gevent import monkey;monkey.patch_all() def eat(name): print('%s eat start'%name) time.sleep(2) #可以识别time.sleep() print('%s eat end' % name) def play(name): print('%s play start'%name) time.sleep(1) #可以识别time.sleep() print('%s play end' % name) g1=gevent.spawn(eat,'koko') g2=gevent.spawn(play,'lily') g1.join() g2.join() #或gevent.joinall([g1,g2]) print('main')
我们可以用threading.current_thread().getName()来查看每个g1和g2,查看的结果为DummyThread-n,即假线程
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Gevent之同步与异步
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
import time from gevent import monkey,spawn,joinall;monkey.patch_all() def work(n): time.sleep(0.5) print('%s is done'%n) def sync1(): #同步 for i in range(10): work(i) def async2(): a_1=[spawn(work,i) for i in range(10)] joinall(a_1) print('Done!') print('同步:') sync1() print('异步') async2() # 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任务。执行流程只会在 所有greenlet执行完后才会继续向下走。
Gevent之应用举例一
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
Gevent之应用举例二
通过gevent实现单线程下的socket并发
注意 :from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到导入socket模块之前,否则gevent无法识别socket的阻塞
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
from socket import *
import gevent
#如果不想用money.patch_all()打补丁,可以用gevent自带的socket
# from gevent import socket
# s=socket.socket()
def server(server_ip,port):
s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind((server_ip,port))
s.listen(5)
while True:
conn,addr=s.accept()
gevent.spawn(talk,conn,addr)
def talk(conn,addr):
try:
while True:
res=conn.recv(1024)
print('client %s:%s msg: %s' %(addr[0],addr[1],res))
conn.send(res.upper())
except Exception as e:
print(e)
finally:
conn.close()
if __name__ == '__main__':
server('127.0.0.1',8080)
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
from socket import *
client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1',8080))
while True:
msg=input('>>: ').strip()
if not msg:continue
client.send(msg.encode('utf-8'))
msg=client.recv(1024)
print(msg.decode('utf-8'))
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
from threading import Thread
from socket import *
import threading
def client(server_ip,port):
c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #套接字对象一定要加到函数内,即局部名称空间内,放在函数外则被所有线程共享,则大家公用一个套接字对象,那么客户端端口永远一样了
c.connect((server_ip,port))
count=0
while True:
c.send(('%s say hello %s' %(threading.current_thread().getName(),count)).encode('utf-8'))
msg=c.recv(1024)
print(msg.decode('utf-8'))
count+=1
if __name__ == '__main__':
for i in range(500):
t=Thread(target=client,args=('127.0.0.1',8080))
t.start()