协程基础

Posted 2022-11-23 lin2396

协程基础

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。

为此我们需要先回顾下并发的本质：切换+保存状态。

CPU正在运行一个任务，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。

ps：在介绍进程理论时，提及进程的三种执行状态，而线程才是执行单位，所以也可以将上图理解为线程的三种状态。

一：其中第二种情况并不能提升效率，只是为了让cpu能够雨露均沾，实现看起来所有任务都被“同时”执行的效果，如果多个任务都是纯计算的，这种切换反而会降低效率。

为此我们可以基于yield来验证。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：

1. 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
2. send可以把一个函数的结果传给另外一个函数，以此实现单线程内程序之间的切换

二、协程介绍

协程：是单线程下的并发，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

一句话说明什么是协程：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。

需要强调的是：

1. Python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度(如单线程遇到IO或执行时间过长就会被迫交出CPU执行权限，切换其他线程运行)
2. 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，从此来提升效率(！！！非IO操作的切换与效率无关)

对比操作系统控制线程的切换，用户在单线程内控制协程的切换。

优点：

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. 单线程内的久可以实现并发的效果，最大限度的利用CPU

缺点：

1. 协程的本质是单线程下，无法利用多核，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是实现并发
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. 附加：一个协程遇到IO操作自动切换到其他协程(如何实现检测IO、yield、greenlet都无法实现，就用到了gevent模块(select机制))

1.1通过yield实现协程

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

def func2():
    g = func1()
    for i in range(100000000):
        i+1
        next(g)

start = time.time()
func2()
stop = time.time()
print(stop - start) # 28.522686004638672

### 对比通过yeild切换运行的时间反而比串行更消耗时间，这样实现的携程是没有意义的。
import time

def func1():
    for i in range(100000000):
        i+1
def func2():
    for i in range(100000000):
        i+1

start = time.time()
func1()
func2()
stop = time.time()
print(stop - start) # 17.141255140304565

1.2Gevent介绍

安装

pip3 install 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。

用法

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

或者上述两步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value#拿到func1的返回值

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 food 1')
    time.sleep(2)
    print('eat food 2')

def play():
    print('play 1')
    time.sleep(1)
    print('play 2')
start = time.time()
g1 = gevent.spawn(eat)
g2 = gevent.spawn(play)
g1.join()
g2.join()
# gevent.joinall([g1,g2])
end = time.time() # 3.0165441036224365
# 如果打好了补丁 就可以识别非gevent.sleep阻塞进行切换
print(end-start)