Python Day10

一、协程

1.协程介绍

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。

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。线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作执行者则是用户自身程序。

简单定义：

寄存在线程中，单线程下可以实现多并发效果
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
一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程

协程的优点：

无需线程上下文切换的开销
无需原子操作锁定及同步的开销："原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序是不可以被打乱，或者切割掉只执行部分。视作整体是原子性的核心。
方便切换控制流，简化编程模型
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。

缺点：

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。
进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

协程的适用场景：当程序中存在大量不需要CPU的操作时（也就是平时所说的IO密集型程序），适用于协程。

yield实现的简单协程：

 1 import time
 2 
 3 def consumer(name):
 4     print("--->starting eating baozi...")
 5     while True:
 6         new_baozi = yield
 7         print("[%s] is eating baozi %s" % (name, new_baozi))
 8         time.sleep(1)
 9 
10 def producer():
11     r = con.__next__()
12     r = con2.__next__()
13     n = 0
14     while n < 5:
15         n += 1
16         con.send(n)
17         con2.send(n)
18         print("33[32;1m[producer]33[0m is making baozi %s" % n)
19 
20 if __name__ == '__main__':
21     con = consumer("c1")
22     con2 = consumer("c2")
23     producer()

2.Greenlet

greenlet是一个用C实现的协程模块，相比与python自带的yield，它可以使你在任意函数之间随意切换，而不需把这个函数先声明为generator

 1 from greenlet import greenlet
 2 
 3 def test1():
 4     print(12)
 5     gr2.switch()
 6     print(34)
 7     gr2.switch()
 8 
 9 def test2():
10     print(56)
11     gr1.switch()
12     print(78)
13 
14 gr1 = greenlet(test1)
15 gr2 = greenlet(test2)
16 gr1.switch()

3.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。

 1 import gevent
 2 
 3 def func1():
 4     print('33[31;1ma在跟b搞...33[0m')
 5     gevent.sleep(2)
 6     print('33[31;1ma又回去跟继续跟b搞...33[0m')
 7 
 8 def func2():
 9     print('33[32;1ma切换到了跟c搞...33[0m')
10     gevent.sleep(1)
11     print('33[32;1ma搞完了d两次，回来继续跟c搞...33[0m')
12 
13 def func3():
14     print('33[32;1ma切换到了跟d搞...33[0m')
15     gevent.sleep(0)
16     print('33[32;1ma搞完了d，觉得不爽，又搞了d一次...33[0m')
17 
18 gevent.joinall([
19     gevent.spawn(func1),
20     gevent.spawn(func2),
21     gevent.spawn(func3),
22 ])

输出结果：

同步与异步的性能区别

 1 import gevent
 2 
 3 def task(pid):
 4     """
 5     Some non-deterministic task
 6     """
 7     gevent.sleep(0.5)
 8     print('Task %s done' % pid)
 9 
10 def synchronous():
11     for i in range(1, 10):
12         task(i)
13 
14 def asynchronous():
15     threads = [gevent.spawn(task, i) for i in range(10)]
16     gevent.joinall(threads)
17 
18 print('Synchronous:')
19 synchronous()
20 
21 print('Asynchronous:')
22 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阻塞时会自动切换任务

 1 from urllib import request
 2 import gevent
 3 import time
 4 from gevent import monkey
 5 monkey.patch_all()  # 把当前程序的所有的io操作给我单独的做上标记
 6 
 7 def f(url):
 8     print('GET: %s' % url)
 9     resp = request.urlopen(url)
10     data = resp.read()
11     print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))
12 
13 urls = ['https://www.python.org/',
14         'https://www.yahoo.com/',
15         'https://github.com/']
16 
17 time_start = time.time()
18 for url in urls:
19     f(url)
20 print("同步cost", time.time() - time_start)
21 
22 async_time_start = time.time()
23 gevent.joinall([
24     gevent.spawn(f, 'https://www.python.org/'),
25     gevent.spawn(f, 'https://www.yahoo.com/'),
26     gevent.spawn(f, 'https://github.com/'),
27 ])
28 print("异步cost", time.time() - async_time_start)

输出结果：

通过gevent实现单线程下的多socket并发

 1 import sys
 2 import socket
 3 import time
 4 import gevent
 5 
 6 from gevent import socket,monkey
 7 monkey.patch_all()
 8 
 9 
10 def server(port):
11     s = socket.socket()
12     s.bind(('0.0.0.0', port))
13     s.listen(500)
14     while True:
15         cli, addr = s.accept()
16         gevent.spawn(handle_request, cli)
17 
18 
19 
20 def handle_request(conn):
21     try:
22         while True:
23             data = conn.recv(1024)
24             print("recv:", data)
25             conn.send(data)
26             if not data:
27                 conn.shutdown(socket.SHUT_WR)
28 
29     except Exception as  ex:
30         print(ex)
31     finally:
32         conn.close()
33 if __name__ == '__main__':
34     server(8001)

二、事件驱动

通常，我们写服务器处理模型的程序时，有以下几种模型：

（1）每收到一个请求，创建一个新的进程，来处理该请求；

（2）每收到一个请求，创建一个新的线程，来处理该请求；

（3）每收到一个请求，放入一个事件列表，让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求

上面的几种方式，各有千秋，

第（1）中方法，由于创建新的进程的开销比较大，所以，会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。

第（2）种方式，由于要涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。

第（3）种方式，在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂。

综合考虑各方面因素，一般普遍认为第（3）种方式是大多数网络服务器采用的方式

看图说话讲事件驱动模型

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？

方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：

1. CPU资源浪费，可能鼠标点击的频率非常小，但是扫描线程还是会一直循环检测，这会造成很多的CPU资源浪费；如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢？

2. 如果是堵塞的，又会出现下面这样的问题，如果我们不但要扫描鼠标点击，还要扫描键盘是否按下，由于扫描鼠标时被堵塞了，那么可能永远不会去扫描键盘；

3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多，这又会引来响应时间的问题；

所以，该方式是非常不好的。

方式二：就是事件驱动模型

目前大部分的UI编程都是事件驱动模型，如很多UI平台都会提供onClick()事件，这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下：

1. 有一个事件（消息）队列；

2. 鼠标按下时，往这个队列中增加一个点击事件（消息）；

3. 有个循环，不断从队列取出事件，根据不同的事件，调用不同的函数，如onClick()、onKeyDown()等；

4. 事件（消息）一般都各自保存各自的处理函数指针，这样，每个消息都有独立的处理函数；

事件驱动编程是一种编程范式，这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环，当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是（单线程）同步以及多线程编程。

让我们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展示了随着时间的推移，这三种模式下程序所做的工作。这个程序有3个任务需要完成，每个任务都在等待I/O操作时阻塞自身。阻塞在I/O操作上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

在单线程同步模型中，任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞，其他所有的任务都必须等待，直到它完成之后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。如果任务之间并没有互相依赖的关系，但仍然需要互相等待的话这就使得程序不必要的降低了运行速度。

在多线程版本中，这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操作系统来管理，在多处理器系统上可以并行处理，或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比，这种方式更有效率，但程序员必须写代码来保护共享资源，防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断，因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题，如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

在事件驱动版本的程序中，3个任务交错执行，但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其他昂贵的操作时，注册一个回调到事件循环中，然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件，当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为，因为程序员不需要关心线程安全问题。

当我们面对如下的环境时，事件驱动模型通常是一个好的选择：

程序中有许多任务，而且…
任务之间高度独立（因此它们不需要互相通信，或者等待彼此）而且…
在等待事件到来时，某些任务会阻塞。

当应用程序需要在任务间共享可变的数据时，这也是一个不错的选择，因为这里不需要采用同步处理。

网络应用程序通常都有上述这些特点，这使得它们能够很好的契合事件驱动编程模型。

此处要提出一个问题，就是，上面的事件驱动模型中，只要一遇到IO就注册一个事件，然后主程序就可以继续干其它的事情了，直到io处理完毕后，继续恢复之前中断的任务，这本质上是怎么实现的呢？稍后揭晓。