协程

1、 引子

　　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

2、 协程介绍

　　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。　　

　　需要注意：

# 进程和线程之间的任务切换由操作系统完成

# 协程任务之间切换由程序（代码）完成，只有遇到协程模块能识别的IO操作的时候，程序才会进行任务切换，实现并发的效果

 

　　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缺点：

# 优点：
    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：
    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））

3、 Greenlet模块

## 真正的协程模块，就是使用greenlet完成切换
from greenlet import greenlet
def eat():
    print('eating start')
    g2.switch()
    print('eating end')
    g2.switch()

def play():
    print('playing start')
    g1.switch()
    print('playing end')

g1 = greenlet(eat)
g2 = greenlet(play)
g1.switch()
# g2.switch()

# 运行结果：
eating start
playing start
eating end
playing end

　　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。

　　如何才能提高效率，这就用到了Gevent模块。

4、 Gevent模块

4.1 Gevent基础

　　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。

from gevent import monkey;monkey.patch_all()  # import gevent时的固定写法
import gevent

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时的固定写法,必须写
import time
import gevent
import threading

def eat():
    print(threading.current_thread().getName())     # DummyThread-1 【虚拟线程 —— 协程】
    print('eating start')
    time.sleep(1)
    print('eating end')

def play():
    print('playing start')
    gevent.sleep(1)
    print('playing end')

g1 = gevent.spawn(eat)
g2 = gevent.spawn(play)
g1.join()
g2.join()

# 运行结果：
DummyThread-1
eating start
playing start
eating end
playing end

　　注意：

　　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

4.2 Gevent之同步与异步

# **********************同步和异步*********************** #
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import time
import gevent

def task():
    time.sleep(1)
    print(12345)

def sync():    # 同步
    start_time = time.time()
    for i in range(10):
        task()
    return time.time()-start_time

def async():   # 异步
    start_time = time.time()
    g_lst = []
    for i in range(10):
        g = gevent.spawn(task)
        g_lst.append(g)
    gevent.joinall(g_lst)       # 等价于 for g in g_lst:g.join()
    return time.time() - start_time

if __name__ == '__main__':
    print('同步Synchronous:')
    s = sync()
    print('同步用时：',s)

    print()
    
    print('异步Asynchronous:')
    async()
    a = async()
    print('异步用时：', a)

# 运行结果：
同步Synchronous:
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
同步用时： 10.020795822143555

异步Asynchronous:
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
12345
异步用时： 1.0018601417541504

4.3 Gevent应用

　　4.3.1 协程应用1：爬虫

# ***************** 爬虫的例子
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
from urllib.request import urlopen
import requests

# rurlopen(url) 和 equests.get(url)辨析
    # url = "http://www.baidu.com"
    # ret1= urlopen(url)                    # 保留源格式的,需要解码
    # ret2 = requests.get(url)              # 无格式的,需要解码
    # print(ret1.read().decode('utf-8'))
    # print(ret2.content.decode('utf-8'))
    
def get_url(url):
    response = urlopen(url)
    content = response.read().decode('utf-8')
    return len(content)

g1 = gevent.spawn(get_url,'http://www.baidu.com')
g2 = gevent.spawn(get_url,'http://www.sougou.com')
g3 = gevent.spawn(get_url,'http://www.hao123.com')
g4 = gevent.spawn(get_url,'http://www.taobao.com')
g5 = gevent.spawn(get_url,'http://www.cnblogs.com')
gevent.joinall([g1,g2,g3,g4,g5])

print(g1.value)
print(g2.value)
print(g3.value)
print(g4.value)
print(g5.value)

# 运行结果：
153319
21958
281750
142176
41997

　

　　4.3.1 协程应用2：通过gevent实现单线程下的socket并发

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)

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'))

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()