协程基础及其创建和使用方法

Posted 2022-11-20 guapitomjoy

一、引言

之前我们学习了线程、进程的概念，了解了在操作系统中进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。按道理来说我们已经算是把cpu的利用率提高很多了。但是我们知道无论是创建多进程还是创建多线程来解决问题，都要消耗一定的时间来创建进程、创建线程、以及管理他们之间的切换。

随着我们对于效率的追求不断提高，基于单线程来实现并发又成为一个新的课题，即只用一个主线程（很明显可利用的cpu只有一个）情况下实现并发。这样就可以节省创建线进程所消耗的时间。

所以，产生协程的概念是为了实现： 单线程下实现并发

为此我们需要先回顾下并发的本质：切换+保存状态。

多线程实现并发：cpu正在运行一个任务（线程），会在两种情况下切走去执行其他的任务（切换由操作系统强制控制）：，一种情况是该任务发生了阻塞，另外一种情况是该任务计算的时间过长。

如果是做纯计算任务的切换，这种切换反而会降低效率。
先在串行下执行计算任务：

import time
def eat():
    print('eat 1')
    # 疯狂计算的时候没有io（计算密集）
    time.sleep(2)
    for i in range(100000000):
        i += 1

def play():
    print('play 1')
    # 疯狂的计算的时候没有io（计算密集）
    time.sleep(3)
    for i in range(100000000):
        i += 1

play()
start = time.time()
eat()
end = time.time()
print(end-start)  # 8.753973960876465

我们再基于Yield函数验证，yield本身就是一种在单线程下可以保存任务运行状态的方法，我们来简单复习一下：

? yiled可以保存状态，yield的状态保存与操作系统的保存线程状态很像，但是yield是代码级别控制的，更轻量级。

基于yield并发执行计算任务：

import time
def func1():
    while True:
        1000000 + 1
        yield

def func2():
    g = func1()
    print(g)
    for i in range(100000000):
        i + 1
        next(g)
start = time.time()
func2()
end = time.time()
print(end-start)  # 28.07292866706848

由上面两个对比，如果是执行计算任务，单纯地切换的话，徒增了执行的时间，降低了效率。

什么样的协程是有意义的？

? 1.遇到IO切换的时候才有意义，以此来提升效率。（非io操作的切换与效率无关）

? 2.协程是一种用户态的轻量级线程，即协程是由用户程序自己控制调度的。

? 3.单线程内开启协程，一旦遇到io，就会从应用程序级别（而非操作系统）控制切换，以此来提升效率（！！！非io操作的切换与效率无关）

? 4.协程概念本质是程序员抽象出来的，操作系统并不知道协程的存在，意思是一个线程遇到了Io,线程内部切到线程自己的其他任务上了，操作系统根本发现不了。也就是实现了单线程下效率最高

对比多线程，单线程实现并发优缺点：

? 优点如下：

1. 协程的切换开销更小，属于程序级别的切换，操作系统完全感知不到，因而更加轻量级
2. 单线程内就可以实现并发的效果，最大限度地利用cpu

? 缺点如下：

1. 协程的本质是单线程下，无法利用多核优势，可以是一个程序开启多个进程，每个进程内开启多个线程，每个线程内开启协程
2. 协程指的是单个线程，因而一旦协程出现阻塞，将会阻塞整个线程

总结协程特点：

1. 必须在只有一个单线程里实现并发
2. 修改共享数据不需加锁
3. 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
4. 附加：一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程（如何实现检测IO，yield、greenlet都无法实现，就用到了gevent模块（select机制））

二、gevent模块的使用

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

2.1 用法介绍

g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)：创建一个协程对象g1，spawn括号内第一个参数是函数名，如eat，后面可以有多个参数，可以是位置实参或关键字实参，都是传给函数eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join()：等待g1结束

g2.join()：等待g2结束

上述两步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value：拿到func1的返回值

2.2 例：遇到io主动切换

import gevent
def eat(name):
    print('%s eat 1' %name)
    gevent.sleep(2)
    print('%s eat 2' %name)

def play(name):
    print('%s play 1' %name)
    gevent.sleep(1)
    print('%s play 2' %name)


g1=gevent.spawn(eat,'egon')
g2=gevent.spawn(play,name='egon')
g1.join()
g2.join()
# 或者gevent.joinall([g1,g2])
print('主')

上例中的gevent.sleep(2)模拟的是gevent可以识别的io阻塞，而time.sleep(2)或其他的阻塞，gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码，打补丁，就可以识别了。

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必须放到被打补丁者的前面，如time，socket模块之前。

或者我们干脆记忆成：要用gevent，需要将from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的开头

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
import time

def eat():
    print('eat 1')
    print(currentThread().getName())  # DummyThread-1 意思是假线程
    time.sleep(2)
    print('eat 2 ')

def play():
    print('play 1')
    print(currentThread().getName()) # DummyThread-2 意思是假线程
    time.sleep(3)
    print('play 2')

start = time.time()
g1 = gevent.spawn(eat)
g2 = gevent.spawn(play)
g1.join()
g2.join()
end = time.time()
print(end-start)  # 3.0058395862579346