Python并发编程之从生成器使用入门协程

Posted 2020-11-06 Python编程时光

大家好，并发编程 进入第七篇。

从今天开始，我们将开始进入Python的难点，那就是协程。

为了写明白协程的知识点，我查阅了网上的很多相关资料。发现很难有一个讲得系统，讲得全面的文章，导致我们在学习的时候，往往半知半解，学完还是一脸懵逼。

学习协程的第一门课程，是要认识生成器，有了生成器的基础，才能更好地理解协程。

如果你是新手，那么你应该知道迭代器，对生成器应该是比较陌生的吧。没关系，看完这系列文章，你也能从小白成功过渡为Ptyhon高手。

再次提醒：
本系列所有的代码均在Python3下编写，也建议大家尽快投入到Python3的怀抱中来。

本文目录

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• 可迭代、迭代器、生成器
• 如何运行/激活生成器
• 生成器的执行状态
• 生成器的异常处理
• 从生成器过渡到协程：yield

. 可迭代、迭代器、生成器

初学Python的时候，对于这三货真的是傻傻分不清。甚至还认为他们是等价的。

其实，他们是不一样的。

可迭代的对象，很好理解，我们很熟悉的：字符串，list，dict，tuple，deque等

为了验证我说的，需要借助collections.abc这个模块（Python2没有），使用isinstance()来类别一个对象是否是可迭代的（Iterable），是否是迭代器（Iterator），是否是生成器（Generator）。

import collections
from collections.abc import Iterable, Iterator, Generator

# 字符串
astr = "XiaoMing"
print("字符串：{}".format(astr))
print(isinstance(astr, Iterable))
print(isinstance(astr, Iterator))
print(isinstance(astr, Generator))

# 列表
alist = [21, 23, 32,19]
print("列表：{}".format(alist))
print(isinstance(alist, Iterable))
print(isinstance(alist, Iterator))
print(isinstance(alist, Generator))

# 字典
adict = {"name": "小明", "gender": "男", "age": 18}
print("字典：{}".format(adict))
print(isinstance(adict, Iterable))
print(isinstance(adict, Iterator))
print(isinstance(adict, Generator))

# deque
adeque=collections.deque(‘abcdefg‘)
print("deque：{}".format(adeque))
print(isinstance(adeque, Iterable))
print(isinstance(adeque, Iterator))
print(isinstance(adeque, Generator))

输出结果

字符串：XiaoMing
True
False
False

列表：[21, 23, 32, 19]
True
False
False

字典：{‘name‘: ‘小明‘, ‘gender‘: ‘男‘, ‘age‘: 18}
True
False
False

deque：deque([‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘d‘, ‘e‘, ‘f‘, ‘g‘])
True
False
False

从结果来看，这些可迭代对象都不是迭代器，也不是生成器。它们有一个共同点，就是它们都可以使用for来循环。这一点，大家都知道，我们就不去验证了。

扩展知识:
可迭代对象，是其内部实现了，__iter__ 这个魔术方法。
可以通过，dir()方法来查看是否有__iter__来判断一个变量是否是可迭代的。

接下来是，迭代器。
对比可迭代对象，迭代器其实就只是多了一个函数而已。就是__next__()，我们可以不再使用for循环来间断获取元素值。而可以直接使用next()方法来实现。

迭代器，是在可迭代的基础上实现的。要创建一个迭代器，我们首先，得有一个可迭代对象。
现在就来看看，如何创建一个可迭代对象，并以可迭代对象为基础创建一个迭代器。

from collections.abc import Iterable, Iterator, Generator

class MyList(object):  # 定义可迭代对象类

    def __init__(self, num):
        self.end = num  # 上边界

    # 返回一个实现了__iter__和__next__的迭代器类的实例
    def __iter__(self):
        return MyListIterator(self.end)


class MyListIterator(object):  # 定义迭代器类

    def __init__(self, end):
        self.data = end  # 上边界
        self.start = 0

    # 返回该对象的迭代器类的实例；因为自己就是迭代器，所以返回self
    def __iter__(self):
        return self

    # 迭代器类必须实现的方法，若是Python2则是next()函数
    def __next__(self):
        while self.start < self.data:
            self.start += 1
            return self.start - 1
        raise StopIteration


if __name__ == ‘__main__‘:
    my_list = MyList(5)  # 得到一个可迭代对象
    print(isinstance(my_list, Iterable))  # True
    print(isinstance(my_list, Iterator))  # False
    # 迭代
    for i in my_list:
        print(i)

    my_iterator = iter(my_list)  # 得到一个迭代器
    print(isinstance(my_iterator, Iterable))  # True
    print(isinstance(my_iterator, Iterator))  # True

    # 迭代
    print(next(my_iterator))
    print(next(my_iterator))
    print(next(my_iterator))
    print(next(my_iterator))
    print(next(my_iterator))

输出

0
1
2
3
4

True
False

True
True

0
1
2
3
4

如果上面的代码太多，也可以看这边，你更能理解。

from collections.abc import Iterator

aStr = ‘abcd‘  # 创建字符串，它是可迭代对象
aIterator = iter(aStr)  # 通过iter()，将可迭代对象转换为一个迭代器
print(isinstance(aIterator, Iterator))  # True
next(aIterator)  # a
next(aIterator)  # b
next(aIterator)  # c
next(aIterator)  # d

扩展知识:
迭代器，是其内部实现了，__next__ 这个魔术方法。(Python3.x)
可以通过，dir()方法来查看是否有__next__来判断一个变量是否是迭代器的。

接下来，是我们的重点，生成器。

生成器的概念在 Python 2.2 中首次出现，之所以引入生成器，是为了实现一个在计算下一个值时不需要浪费空间的结构。

前面我们说，迭代器，是在可迭代的基础上，加了一个next()方法。
而生成器，则是在迭代器的基础上（可以用for循环，可以使用next()），再实现了yield。

yield 是什么东西呢，它相当于我们函数里的return。在每次next()，或者for遍历的时候，都会yield这里将新的值返回回去，并在这里阻塞，等待下一次的调用。正是由于这个机制，才使用生成器在Python编程中大放异彩。实现节省内存，实现异步编程。

如何创建一个生成器，主要有如下两种方法

• 使用列表生成式

# 使用列表生成式，注意不是[]，而是()
L = (x * x for x in range(10))
print(isinstance(L, Generator))  # True

• 实现yield的函数

# 实现了yield的函数
def mygen(n):
    now = 0
    while now < n:
        yield now
        now += 1

if __name__ == ‘__main__‘:
    gen = mygen(10)
    print(isinstance(gen, Generator))  # True

可迭代对象和迭代器，是将所有的值都生成存放在内存中，而生成器则是需要元素才临时生成，节省时间，节省空间。

. 如何运行/激活生成器

由于生成器并不是一次生成所有元素，而是一次一次的执行返回，那么如何刺激生成器执行(或者说激活)呢？

激活主要有两个方法

• 使用next()
• 使用generator.send(None)

分别看下例子，你就知道了。

def mygen(n):
    now = 0
    while now < n:
        yield now
        now += 1

if __name__ == ‘__main__‘:
    gen = mygen(4)

    # 通过交替执行，来说明这两种方法是等价的。
    print(gen.send(None))
    print(next(gen))
    print(gen.send(None))
    print(next(gen))

输出

0
1
2
3

. 生成器的执行状态

生成器在其生命周期中，会有如下四个状态

GEN_CREATED # 等待开始执行
GEN_RUNNING # 解释器正在执行（只有在多线程应用中才能看到这个状态）
GEN_SUSPENDED # 在yield表达式处暂停
GEN_CLOSED # 执行结束

通过代码来感受一下，为了不增加代码理解难度，GEN_RUNNING这个状态，我就不举例了。有兴趣的同学，可以去尝试一下多线程。若有疑问，可在后台回复我。

from inspect import getgeneratorstate

def mygen(n):
    now = 0
    while now < n:
        yield now
        now += 1

if __name__ == ‘__main__‘:
    gen = mygen(2)
    print(getgeneratorstate(gen))

    print(next(gen))
    print(getgeneratorstate(gen))

    print(next(gen))
    gen.close()  # 手动关闭/结束生成器
    print(getgeneratorstate(gen))

输出

GEN_CREATED
0
GEN_SUSPENDED
1
GEN_CLOSED

. 生成器的异常处理

在生成器工作过程中，若生成器不满足生成元素的条件，就会/应该 抛出异常（StopIteration）。

通过列表生成式构建的生成器，其内部已经自动帮我们实现了抛出异常这一步。不信我们来看一下。

所以我们在自己定义一个生成器的时候，我们也应该在不满足生成元素条件的时候，抛出异常。
拿上面的代码来修改一下。

def mygen(n):
    now = 0
    while now < n:
        yield now
        now += 1
    raise StopIteration

if __name__ == ‘__main__‘:
    gen = mygen(2)
    next(gen)
    next(gen)
    next(gen)

. 从生成器过渡到协程：yield

通过上面的介绍，我们知道生成器为我们引入了暂停函数执行（yield）的功能。当有了暂停的功能之后，人们就想能不能在生成器暂停的时候向其发送一点东西（其实上面也有提及：send(None)）。这种向暂停的生成器发送信息的功能通过 PEP 342 进入 Python 2.5 中，并催生了 Python 中协程的诞生。根据 wikipedia 中的定义

协程是为非抢占式多任务产生子程序的计算机程序组件，协程允许不同入口点在不同位置暂停或开始执行程序。

注意从本质上而言，协程并不属于语言中的概念，而是编程模型上的概念。

协程和线程，有相似点，多个协程之间和线程一样，只会交叉串行执行；也有不同点，线程之间要频繁进行切换，加锁，解锁，从复杂度和效率来看，和协程相比，这确是一个痛点。协程通过使用 yield 暂停生成器，可以将程序的执行流程交给其他的子程序，从而实现不同子程序的之间的交替执行。

下面通过一个简明的演示来看看，如何向生成器中发送消息。

def jumping_range(N):
    index = 0
    while index < N:
        # 通过send()发送的信息将赋值给jump
        jump = yield index
        if jump is None:
            jump = 1
        index += jump

if __name__ == ‘__main__‘:
    itr = jumping_range(5)
    print(next(itr))
    print(itr.send(2))
    print(next(itr))
    print(itr.send(-1))

输出。

0
2
3
2

这里解释下为什么这么输出。
重点是jump = yield index这个语句。

分成两部分：

• yield index 是将index return给外部调用程序。
• jump = yield 可以接收外部程序通过send()发送的信息，并赋值给jump

以上这些，都是讲协程并发的基础必备知识，请一定要亲自去实践并理解它，不然后面的内容，将会变得枯燥无味，晦涩难懂。

下一章，我将讲一个Python3.5新引入的语法：yield from。篇幅也比较多，所以就单独拿出来讲。

好了，今天就讲这些。

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