python並發編程之協程

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閱讀目錄

• 一 引子
• 二 協程介紹
• 三 Greenlet
• 四 Gevent介紹
• 五 Gevent之同步與非同步
• 六 Gevent之應用舉例一
• 七 Gevent之應用舉例二

一 引子

    本節的主題是基於單線程來實現並發，即只用一個主線程（很明顯可利用的cpu只有一個）情況下實現並發，為此我們需要先回顧下並發的本質：切換+儲存狀態

    cpu正在運行一個任務，會在兩種情況下切走去執行其他的任務（切換由作業系統強制控制），一種情況是該任務發生了阻塞，另外一種情況是該任務計算的時間過長

ps：在介紹進程理論時，提及進程的三種執行狀態，而線程才是執行單位，所以也可以將理解為線程的三種狀態 

    一：其中第二種情況並不能提升效率，只是為了讓cpu能夠雨露均沾，實現看起來所有任務都被“同時”執行的效果，如果多個任務都是純計算的，這種切換反而會降低效率。為此我們可以基於yield來驗證。yield本身就是一種在單線程下可以儲存任務運行狀態的方法，我們來簡單複習一下：

#1 yiled可以儲存狀態，yield的狀態儲存與作業系統的儲存線程狀態很像，但是yield是代碼層級控制的，更輕量級#2 send可以把一個函數的結果傳給另外一個函數，以此實現單線程內程式之間的切換  

單純地切換反而會降低運行效率

    二：第一種情況的切換。在任務一遇到io情況下，切到任務二去執行，這樣就可以利用任務一阻塞的時間完成任務二的計算，效率的提升就在於此。

yield並不能實現遇到io切換

   

    對於單線程下，我們不可避免程式中出現io操作，但如果我們能在自己的程式中（即使用者程式層級，而非作業系統層級）控制單線程下的多個任務能在一個任務遇到io阻塞時就切換到另外一個任務去計算，這樣就保證了該線程能夠最大限度地處於就緒態，即隨時都可以被cpu執行的狀態，相當於我們在使用者程式層級將自己的io操作最大限度地隱藏起來，從而可以迷惑作業系統，讓其看到：該線程好像是一直在計算，io比較少，從而更多的將cpu的執行許可權分配給我們的線程。

    協程的本質就是在單線程下，由使用者自己控制一個任務遇到io阻塞了就切換另外一個任務去執行，以此來提升效率。為了實現它，我們需要找尋一種可以同時滿足以下條件的解決方案：

#1. 可以控制多個任務之間的切換，切換之前將任務的狀態儲存下來，以便重新運行時，可以基於暫停位置繼續執行。#2. 作為1的補充：可以檢測io操作，在遇到io操作的情況下才發生切換

二 協程介紹

協程：是單線程下的並發，又稱微線程，纖程。英文名Coroutine。一句話說明什麼是線程：協程是一種使用者態的輕量級線程，即協程是由使用者程式自己控制調度的。、

需要強調的是：

#1. python的線程屬於核心層級的，即由作業系統控制調度（如單線程遇到io或執行時間過長就會被迫交出cpu執行許可權，切換其他線程運行）#2. 單線程內開啟協程，一旦遇到io，就會從應用程式層級（而非作業系統）控制切換，以此來提升效率（！！！非io操作的切換與效率無關）

對比作業系統控制線程的切換，使用者在單線程內控制協程的切換

優點如下：

#1. 協程的切換開銷更小，屬於程式層級的切換，作業系統完全感知不到，因而更加輕量級#2. 單線程內就可以實現並發的效果，最大限度地利用cpu

缺點如下：

#1. 協程的本質是單線程下，無法利用多核，可以是一個程式開啟多個進程，每個進程內開啟多個線程，每個線程內開啟協程#2. 協程指的是單個線程，因而一旦協程出現阻塞，將會阻塞整個線程

總結協程特點：

1. 必須在只有一個單線程裡實現並發
2. 修改共用資料不需加鎖
3. 使用者程式裡自己儲存多個控制流程的上下文棧
4. 附加：一個協程遇到IO操作自動切換到其它協程（如何?檢測IO，yield、greenlet都無法實現，就用到了gevent模組（select機制））

三 Greenlet

如果我們在單個線程內有20個任務，要想實現在多個任務之間切換，使用yield產生器的方式過於麻煩（需要先得到初始化一次的產生器，然後再調用send。。。非常麻煩），而使用greenlet模組可以非常簡單地實現這20個任務直接的切換

#安裝pip3 install greenlet

from greenlet import greenletdef eat(name):    print(‘%s eat 1‘ %name)    g2.switch(‘egon‘)    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(‘egon‘)#可以在第一次switch時傳入參數，以後都不需要

單純的切換（在沒有io的情況下或者沒有重複開闢記憶體空間的操作），反而會降低程式的執行速度

View Code

greenlet只是提供了一種比generator更加便捷的切換方式，當切到一個任務執行時如果遇到io，那就原地阻塞，仍然是沒有解決遇到IO自動切換來提升效率的問題。

單線程裡的這20個任務的代碼通常會既有計算操作又有阻塞操作，我們完全可以在執行任務1時遇到阻塞，就利用阻塞的時間去執行任務2。。。。如此，才能提高效率，這就用到了Gevent模組。

四 Gevent介紹

#安裝pip3 install gevent

Gevent 是一個第三方庫，可以輕鬆通過gevent實現並發同步或非同步編程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C擴充模組形式接入Python的輕量級協程。 Greenlet全部運行在主程式作業系統進程的內部，但它們被協作式地調度。

#用法g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)建立一個協程對象g1，spawn括弧內第一個參數是函數名，如eat，後面可以有多個參數，可以是位置實參或關鍵字實參，都是傳給函數eat的g2=gevent.spawn(func2)g1.join() #等待g1結束g2.join() #等待g2結束#或者上述兩步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])g1.value#拿到func1的傳回值

遇到IO阻塞時會自動切換任務

View Code

上例gevent.sleep(2)類比的是gevent可以識別的io阻塞,

而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接識別的需要用下面一行代碼,打補丁,就可以識別了

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必須放到被打補丁者的前面，如time，socket模組之前

或者我們乾脆記憶成：要用gevent，需要將from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到檔案的開頭

from gevent import monkey;monkey.patch_all()import geventimport timedef eat():    print(‘eat food 1‘)    time.sleep(2)    print(‘eat food 2‘)def play():    print(‘play 1‘)    time.sleep(1)    print(‘play 2‘)g1=gevent.spawn(eat)g2=gevent.spawn(play_phone)gevent.joinall([g1,g2])print(‘主‘)

我們可以用threading.current_thread().getName()來查看每個g1和g2，查看的結果為DummyThread-n，即假線程

五 Gevent之同步與非同步View Code六 Gevent之應用舉例一協程應用：爬蟲七 Gevent之應用舉例二

通過gevent實現單線程下的socket並發（from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到匯入socket模組之前，否則gevent無法識別socket的阻塞）

from gevent import monkey;monkey.patch_all()from socket import *import gevent#如果不想用money.patch_all()打補丁,可以用gevent內建的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)服務端

服務端

#_*_coding:utf-8_*___author__ = ‘Linhaifeng‘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‘))

用戶端

from threading import Threadfrom socket import *import threadingdef client(server_ip,port):    c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #通訊端對象一定要加到函數內，即局部名稱空間內，放在函數外則被所有線程共用，則大家公用一個通訊端對象，那麼用戶端連接埠永遠一樣了    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+=1if __name__ == ‘__main__‘:    for i in range(500):        t=Thread(target=client,args=(‘127.0.0.1‘,8080))        t.start()

多線程並發多個用戶端

 

python並發編程之協程