协程及Python中的协程

1 协程

1.1协程的概念

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

使用yield实现协程操作例子：

#! /usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author: "Zing-p"
# Date: 2017/5/12


def consumer(name):
    print("要开始啃骨头了...")
    while True:
        print("\033[31;1m[consumer] %s\033[0m " % name)
        bone = yield
        print("[%s] 正在啃骨头 %s" % (name, bone))


def producer(obj1, obj2):
    obj1.send(None)    # 启动obj1这个生成器,第一次必须用None  <==> obj1.__next__()
    obj2.send(None)    # 启动obj2这个生成器,第一次必须用None  <==> obj2.__next__()
    n = 0
    while n < 5:
        n += 1
        print("\033[32;1m[producer]\033[0m 正在生产骨头 %s" % n)
        obj1.send(n)
        obj2.send(n)


if __name__ == '__main__':
    con1 = consumer("消费者A")
    con2 = consumer("消费者B")
    producer(con1, con2)

运行的结果：

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。。。

greenlet协程例子：

#! /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)             # 内部函数实现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),
                ])

同步与异步性能区别：

import gevent
 
def task(pid):
    """
    Some non-deterministic task
    """
    gevent.sleep(0.5)
    print('Task %s done' % pid)
 
def synchronous():
    for i in range(1,10):
        task(i)
 
def asynchronous():
    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。

遇到Io阻塞时会切换任务之【爬虫版】

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

from urllib import request
import gevent,time
from gevent import monkey

monkey.patch_all()    # 把当前程序中的所有io操作都做上标记

def spider(url):
    print("GET:%s" % url)
    resp = request.urlopen(url)
    data = resp.read()
    print("%s bytes received from %s.." % (len(data), url))

urls = [
    "https://www.python.org/",
    "https://www.yahoo.com/",
    "https://github.com/"
]

start_time = time.time()
for url in urls:
    spider(url)
print("同步耗时：",time.time() - start_time)

async_time_start = time.time()
gevent.joinall([
    gevent.spawn(spider,"https://www.python.org/"),
    gevent.spawn(spider,"https://www.yahoo.com/"),
    gevent.spawn(spider,"https://github.com/"),
])
print("异步耗时：",time.time() - async_time_start)

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通过gevent实现【单线程】下的多socket并发

server端：

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()
        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(9999)

client端：

import socket
 
HOST = 'localhost'    # The remote host
PORT = 9999         # 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()

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