并发编程之协程

一. 简介

　　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或有一个优先级更高的程序替代了它，如图：

 

　　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 

 

 　　我们知道，实现并发的本质就是：切换+保存状态

1.1 yield复习

#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 

def customer():
    r=""
    while True:
        n=yield r#，接收生产者的消息，并向消费者发送r
        print("customer receive",n)
        r="ok"

def produce(c):
    # c.send(None)#第一次启动协程必须发送None值，否则报如下错误
    #TypeError: can't send non-None value to a just-started generator
    next(c)
    for i in range(6):
        print("start send to customer",i)
        r=c.send(i)#向消费者发送值
        print("receive customer",r)

c=customer()
produce(c)

结果：

start send to customer 0
customer receive 0
receive customer ok
start send to customer 1
customer receive 1
receive customer ok
start send to customer 2
customer receive 2
receive customer ok
start send to customer 3
customer receive 3
receive customer ok
start send to customer 4
customer receive 4
receive customer ok
start send to customer 5
customer receive 5
receive customer ok

 

1.2 yield切换

　　在func1遇到io情况下，切到func2去执行，这样就可以利用func1阻塞的时间完成func2的计算，效率的提升就在于此。

import time
def func1():
    while True:
        print('func1')
        yield

def func2():
    g=func1()
    for i in range(1000000):
        next(g)
        time.sleep(1)
        print('func2')
start=time.time()
func2()
stop=time.time()
print(stop-start)

　　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。

 

二. 协程

　　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。

　　强调：

#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：

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. 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））

 

2.1 Greenlet模块

pip3 install greenlet

from greenlet import greenlet
import time

def eat(name):
    print('%s eat 1' %name)
    time.sleep(1) # 在这里就会一直卡在这里，不会切换
    g2.switch('maomao')
    print('%s eat 2' %name)
    g2.switch()

def play(name):
    print('%s play 1' %name )
    g1.switch()
    print('%s play 2' %name )


g1=greenlet(eat)
g2=greenlet(play)

g1.switch('maomao')

　　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。

 

2.2 Gevent模块

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。

基本用法：

g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)创建一个协程对象g1，spawn括号内第一个参数是函数名，如eat，后面可以有多个参数，可以是位置实参或关键字实参，都是传给函数eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join() #等待g1结束

g2.join() #等待g2结束

#或者上述两步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value#拿到func1的返回值

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
import time


def eat(name):
    print('%s eat 1' % name)
    # gevent.sleep(3)
    time.sleep(3)
    print('%s eat 2' % name)


def play(name):
    print('%s play 1' % name)
    # gevent.sleep(3)
    time.sleep(3) # 来回切，
    print('%s play 2' % name)


start_time=time.time()
g1=gevent.spawn(eat,'egon')
g2=gevent.spawn(play,'alex')
#
#
g1.join()
g2.join() # 等待这两个任务运行完毕
stop_time=time.time()
print(stop_time-start_time)

例子2：

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
import requests
import time

def get_page(url):
    print('GET: %s' %url)
    response=requests.get(url)
    if response.status_code == 200:
        print('%d bytes received from %s' %(len(response.text),url))


start_time=time.time()
gevent.joinall([
    gevent.spawn(get_page,'https://www.baidu.com/'),
    gevent.spawn(get_page,'https://www.qq.com/'),
])
stop_time=time.time()
print('run time is %s' %(stop_time-start_time))

2.2.3 socket实现

服务端：

#基于gevent实现
from gevent import monkey,spawn;monkey.patch_all()
from socket import *

def communicate(conn):
    while True:
        try:
            data=conn.recv(1024)
            if not data:break
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError:
            break

    conn.close()

def server(ip,port):
    server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    server.bind((ip,port))
    server.listen(5)

    while True:
        conn, addr = server.accept()
        spawn(communicate,conn)

    server.close()

if __name__ == '__main__':
    g=spawn(server,'127.0.0.1',8090)
    g.join() # 必要join，不然整个程序都结束了

客户端：

from socket import *
from threading import Thread,currentThread

def client():
    client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    client.connect(('127.0.0.1',8090))
    # 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

    while True:
        client.send(('%s hello' %currentThread().getName()).encode('utf-8'))
        data=client.recv(1024)
        print(data.decode('utf-8'))

    client.close()


if __name__ == '__main__':
    for i in range(500):
        t=Thread(target=client)
        t.start()