线程、进程与协程2

一、协程

什么是协程？

协程，又名微线程，纤程，英文名为Coroutine。

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。

CPU只认识线程，不认识协程。线程的寄存器在CPU上，协程的寄存器不在CPU上。

yield就是在单线程下通过yield切换的协程。

协程的好处？

1.使用协程，无需线程上下文切换的开销。

用协程在单线程下实现并发效果，实际上是在单线程下实现函数之间的切换，不涉及CPU的切换。

2.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，中间不会有任务的context switch（上下文切换——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。

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

协程的标准定义，标准形态

符合标准的协程必须满足以下4点的功能：

1.必须在只有一个单线程里实现并发

2.修改共享数据不需要加锁

3.用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈

4.一个协程遇到IO操作自动切换到其他协程

greenlet 和 Gevent

Python通过yield提供了对协程的基本支持，但是不完全。而第三方的gevent为Python提供了比较完善的协程支持。

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.

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。

gevent通过greenlet实现协程，其基本思想是：

　　当一个greenlet遇到IO操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO。

greenlet实例：

 1 from greenlet import greenlet
 2 def test1():
 3     print(12)
 4     gr2.switch()  #step3:切换到gr2，运行test2() print(56)
 5     print(34)
 6     gr2.switch()  #step5:切换到gr2，运行test2() print(78)
 7 
 8 def test2():  
 9     print(56)
10     gr1.switch() #step4:切换到gr1，运行test1()  print(34)
11     print(78)
12 
13 gr1=greenlet(test1)  #step1:生成greenlet实例
14 gr2=greenlet(test2)
15 gr1.switch()  #step2:切换到gr1，运行test1() print(12)

View Code

greenlet通过switch()手动切换函数，在单线程下实现协程的效果。

Gevent实例：

 1 import gevent
 2 def fun1():
 3     print(1)
 4     gevent.sleep(1)
 5     print(2)
 6 
 7 def fun2():
 8     print(3)
 9     gevent.sleep(1)
10     print(4)
11 
12 def fun3():
13     print(5)
14     gevent.sleep(4)
15     print(6)
16 
17 gevent.joinall([
18     gevent.spawn(fun1),
19     gevent.spawn(fun2),
20     gevent.spawn(fun3)
21 ])

View Code

注意：gevent中的方法：

gevent.joinall(greenlets,timeout=None,raise_error=False,count=None)

gevent.spawn(*args,**kwargs)

实例：遇到IO阻塞时自动切换任务：

由于切换是在IO操作时自动完成，所以gevent需要修改Python自带的一些标准库，这一过程在启动时通过monkey patch完成：

 1 import gevent
 2 from urllib.request import urlopen  #由于gevent无法监测urllib中的IO操作，所以要加上monkey.patch_all()，做上标记后后实现IO的自动切换。
 3 import re
 4 def f(url):
 5     print(url)
 6     resp=urlopen(url)  #生成一个urlopen实例
 7     data=resp.read()  #读取urlopen实例化对象的内容
 8     print(len(data),url)
 9 
10 
11 gevent.joinall([
12     gevent.spawn(f,'http://sh.gsxt.gov.cn/notice/notice/view?uuid=tJrWRfxkMtxQqih9h7lwTujrR0nXE6pM&tab=01'),
13     gevent.spawn(f,'https://www.tianyancha.com/company/22823'),
14     gevent.spawn(f,'https://www.tianyancha.com/login?from=https%3A%2F%2Fwww.tianyancha.com%2Fcompany%2F24489290')
15 ])

View Code

注意：在gevent中无法判断直接引用是不清楚urllib中是否有IO切换的，只要在脚本最前面加上“from gevent import monkey;monkey.patch_all()”就可以实现在IO操作前进行标记。

实例：通过gevent实现单线程下的多socket并发

server端：

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

View Code

client端：

 1 import socket
 2 
 3 HOST = 'localhost'  # The remote host
 4 PORT = 8001  # The same port as used by the server
 5 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 6 s.connect((HOST, PORT))
 7 while True:
 8     msg = bytes(input(">>:"), encoding="utf-8")
 9     s.sendall(msg)
10     data = s.recv(1024)
11     print('Received', data)
12 
13 s.close()

View Code

这个实例通过协程实现了一个大规模的多并发的socket server。

论事件驱动与异步IO

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； server=socketserver.ForkingTCPServer()

（2）每收到一个请求，创建一个新的线程来处理该请求； server=socketserver.ThreadingTCPServer()

（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(协程)来处理请求

上面的方法的优劣：

第一种方法，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。

第二种方法，由于要涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。

第三种方法，在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂。

综合考虑，一般普遍认为第三种方式是大多数网络服务器采用的方式。

异步IO