Gevent的协程实现原理

Posted 2020-09-21 yxysuanfa

之前之所以看greenlet的代码实现，主要就是想要看看gevent库的实现代码。

。。

然后知道了gevent的协程是基于greenlet来实现的。。。所以就又先去看了看greenlet的实现。。。

这里就不说greenlet的详细实现了。关键就是栈数据的复制拷贝，栈指针的位移。

。。

由于gevent带有自己的I/O以及定时循环，所以它对greenlet又加了一层的扩展。。

。

这里我们用例如以下的代码来举样例，然后再来详细的分析gevent是怎样扩展greenlet的吧：

import gevent

def hello(fname):
	print "hello : ", fname
	gevent.sleep(0)
	print "12321 : ", fname


task1 = gevent.spawn(hello, "fjs1")
task2 = gevent.spawn(hello, "fjs2")

task1.join()

这段代码的输出例如以下：

嗯，那么闲来看看spawn方法是怎样创建协程的吧：

    #类方法，这个说白了gevent提供的一层构造
    @classmethod
    def spawn(cls, *args, **kwargs):
        """Return a new :class:`Greenlet` object, scheduled to start.

        The arguments are passed to :meth:`Greenlet.__init__`.
        """
        g = cls(*args, **kwargs)  #先构造greenlet对象
        g.start() #调用start方法，相当于在hub对象的loop上注冊回调，这个回调的作用就是调用当前greenlet的switch切换到这个greenlet的运行
        return g

这种方法是一个类方法，用于创建一个Greenlet，只是这个要注意。当前这个greenlet已经不是前面提到的greenlet库中定义的那样了，其做了一层简单的扩展。

。

。

来看看构造函数：

#继承了greenlet，相当于是过扩展了一些功能
class Greenlet(greenlet):
    """A light-weight cooperatively-scheduled execution unit."""

    def __init__(self, run=None, *args, **kwargs):
        hub = get_hub()
        greenlet.__init__(self, parent=hub)   #这里将全部创建的greenlet对象的parent都指向了这个唯一的hub对象
        if run is not None:
            self._run = run  #记录run信息
        self.args = args
        self.kwargs = kwargs
        self._links = deque()
        self.value = None
        self._exception = _NONE
        self._notifier = None
        self._start_event = None

这里直接继承了greenlet库中greenlet的定义。然后在构造函数中有比較重要的地方，能够看到，全部构造出来的协程的parent都将会指向一个名字叫hub的主协程。。

。

这个非常关键。它就是整个gevent的主循环协程，全部创建的业务协程的执行都要依赖于它的调度和管理。。

。

好了。在上面spawn过程中。最后还调用了start方法启动协程。那么我们来看看这种方法的定义吧：

#事实上这个主要是在hub对象的loop上面挂起一个要运行的回调，而这个回调的功能就是切换到这个greenlet的运行
    def start(self):
        """Schedule the greenlet to run in this loop iteration"""
        if self._start_event is None:
            #事实上这个仅仅是在hub的loop上面挂起一个回调，然后在hub的loop里面会运行这个回调
            self._start_event = self.parent.loop.run_callback(self.switch)  #在hub对象的loop里面调用当前greenlet的switch回调，開始run方法的运行

代码还是非常easy。事实上无非就是在parent也就是hub的loop上面注冊了一个回调，而这个回调就是当前这个协程的switch方法，。。那么等到这个回调被运行的时候，那么也就是開始这个协程的运行的时候。

。。

这里我们先不去看hub以及它的loop的实现。

。。就先将其理解为主循环，管理全部的回调。定时，以及I/O事件。

。。

嗯，接下来来看看join方法的实现吧。

。

熟悉多线程的都知道。在多线程环境下，join方法就是堵塞当前线程。直到join的目的线程返回了为止。

。

。当然这里就不是线程了。变成了协程。

。。。

来看看这个join方法的代码吧：

    #将当前运行环境挂起，知道join的greenlet运行完了
    def join(self, timeout=None):
        """Wait until the greenlet finishes or *timeout* expires.
        Return ``None`` regardless.
        """
        if self.ready(): #假设都已经跑完了，那么直接返回吧
            return
        else:
            switch = getcurrent().switch  #获取当前greenlet的switch
            self.rawlink(switch)   #注冊当前环境greenlet的回调，那么以后在这个要等待的greenlet运行完后。将会回调这个
            try:
                t = Timeout.start_new(timeout)  #创建一个timer对象
                try:
                    result = self.parent.switch()  #停止当前环境greenlet的运行，调度hub运行
                    assert result is self, ‘Invalid switch into Greenlet.join(): %r‘ % (result, )
                finally:
                    t.cancel()  #取消timeout
            except Timeout:
                self.unlink(switch)  #在挂起的回调中去除
                if sys.exc_info()[1] is not t:
                    raise
            except:
                self.unlink(switch)
                raise

首先调用getCurrent方法来获取当前环境的协程，然后获取它的switch方法，将其放置到要join的协程的回调队列里面，当这个要join的协程执行完了之后，将会调用这些回调。这样，就能够恢复当前协程的执行了。。。

在以下我们能够看到。调用了parent也就是hub的switch方法。切换到hub的运行，这个里面将会開始要join的协程的运行，这里并非直接切换到join的协程的运行。。这点须要注意。。

。

另外，gevent自己的greenlet的定义增加了run方法，也就是每次运行都将会从这里開始。

。。代码例如以下：

    #当前greenlet的运行部分，事实上就是调用传进来的函数。然后运行完了之后再调用那些挂起的回调
    def run(self):
        try:
            if self._start_event is None:
                self._start_event = _dummy_event
            else:
                self._start_event.stop()
            try:
                result = self._run(*self.args, **self.kwargs) #运行传进来的函数
            except:
                self._report_error(sys.exc_info())
                return
            self._report_result(result)  #这个主要是用于运行挂起的回调
        finally:
            self.__dict__.pop(‘_run‘, None)
            self.__dict__.pop(‘args‘, None)
            self.__dict__.pop(‘kwargs‘, None)

在运行完了之后，将会调用_report_result方法来运行全部挂在这个协程上面的回调函数，这样对于上面join挂起的回调，就会在这里得到运行，从而让join方法返回继续运行，这样join方法的实现也就比較的清楚了。。事实上还算是比較简单的。。。另外对于怎样运行挂起在这个协程上的回调，比如join的回调，还是比較有讲究的。并非马上在当前协程中运行。而是在hub的loop上挂起一个回调，嗯，代码例如以下：

    #这个主要是为了在hub的loop中挂起回调，用于运行当前这个greenlet全部挂起的回调
    #这里也不是马上运行这些在这个greenlet上面挂起的回调，而是运行继续挂到loop的回调上面去。这样能够让当前协程尽快返回
    #并且假设就在当前协程运行这些回调会出问题，由于假设回调带有别的协程的switch方法，那么switch之后。就再也回不到这个协程继续运行别的回调了
    #而在loop上面运行这些回调，也就是hub上，运行这些回调，即使切换到别的协程，以后也会迟早回到hub上继续运行，所以能保证回调能全部运行完。。
    def _report_result(self, result):
        self._exception = None
        self.value = result
        if self._links and not self._notifier:
            self._notifier = self.parent.loop.run_callback(self._notify_links)

至于为什么这么大费周章。上面的凝视应该说的非常清楚了吧。。。

好了，接下来再来分析一下sleep的实现，代码例如以下：

#事实上sleep的主要目的就是将当前的运行切换出去，回到hub的主循环
def sleep(seconds=0, ref=True):
    """Put the current greenlet to sleep for at least *seconds*.

    *seconds* may be specified as an integer, or a float if fractional seconds
    are desired.

    If *ref* is false, the greenlet running sleep() will not prevent gevent.wait()
    from exiting.
    """
    hub = get_hub()  #获取hub对象
    loop = hub.loop  #获取hub的loop对象
    if seconds <= 0:  #假设这里并没有时间
        waiter = Waiter() #创建waiter对象。主要是为了维护当前greenlet与hub之间的切换
        loop.run_callback(waiter.switch)   #在loop上面挂起一个回调，事实上就是在loop中再恢复当前sleep的greenlet的运行
        waiter.get()  #在这个里面最基本的功能就是记录当前的greenlet对象。然后将栈切换到hub上面运行
    else:
        hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))  #带定时的wait

事实上这里分为了两种种类，就是在sleep的时候传入的超时时间。小于等于0的以及大于0的。。。

对于sleep操作，假设是在多线程的环境里，比如java的sleep，事实上就是堵塞当前的线程。这样子jvm会调度别的线程的执行，而对于gevent，事实上很多其它的是能够理解为当前协程主动的放弃CPU资源，等到以后再执行。

。

。

首先来看看对于超时小于等于零的。事实上原理非常easy，就是进行switch，切换到hub协程的运行，而且在hub的loop上面注冊一个回调。用于切换回到当前协程的运行。。。

这里有一点须要的注意的就是。并没有直接在代码中体现switch的操作，而是多了一个waiter对象。。。然后在loop上面注冊的回调是waiter的switch方法，然后调用了waiter对象的get方法。。。

这里看gevent的凝视才知道。waiter对象能够理解为gevent封装的协程之间的协作工具，详细的协程之间的切换都由waiter来做。避免让用户自己的代码涉及到switch操作。由于这样子非常easy出错。。

。我们来看看waiter的定义吧：

#事实上这个对象仅仅是为了维护用户greenlet与hub之间的切换关系
#将会在hub里面注冊当前waiter对象的switch方法作为回调，然后在hub的loop里面将会运行这个回调
class Waiter(object):
    """A low level communication utility for greenlets.

    Wrapper around greenlet‘s ``switch()`` and ``throw()`` calls that makes them somewhat safer:

    * switching will occur only if the waiting greenlet is executing :meth:`get` method currently;
    * any error raised in the greenlet is handled inside :meth:`switch` and :meth:`throw`
    * if :meth:`switch`/:meth:`throw` is called before the receiver calls :meth:`get`, then :class:`Waiter`
      will store the value/exception. The following :meth:`get` will return the value/raise the exception.

    The :meth:`switch` and :meth:`throw` methods must only be called from the :class:`Hub` greenlet.
    The :meth:`get` method must be called from a greenlet other than :class:`Hub`.

        >>> result = Waiter()
        >>> timer = get_hub().loop.timer(0.1)
        >>> timer.start(result.switch, ‘hello from Waiter‘)
        >>> result.get() # blocks for 0.1 seconds
        ‘hello from Waiter‘

    If switch is called before the greenlet gets a chance to call :meth:`get` then
    :class:`Waiter` stores the value.

        >>> result = Waiter()
        >>> timer = get_hub().loop.timer(0.1)
        >>> timer.start(result.switch, ‘hi from Waiter‘)
        >>> sleep(0.2)
        >>> result.get() # returns immediatelly without blocking
        ‘hi from Waiter‘

    .. warning::

        This a limited and dangerous way to communicate between greenlets. It can easily
        leave a greenlet unscheduled forever if used incorrectly. Consider using safer
        :class:`Event`/:class:`AsyncResult`/:class:`Queue` classes.
    """

    __slots__ = [‘hub‘, ‘greenlet‘, ‘value‘, ‘_exception‘]

    def __init__(self, hub=None):
        if hub is None:
            self.hub = get_hub()  #获取顶层hub对象
        else:
            self.hub = hub
        self.greenlet = None
        self.value = None
        self._exception = _NONE

    def clear(self):  
        self.greenlet = None
        self.value = None
        self._exception = _NONE

    def __str__(self):
        if self._exception is _NONE:
            return ‘<%s greenlet=%s>‘ % (type(self).__name__, self.greenlet)
        elif self._exception is None:
            return ‘<%s greenlet=%s value=%r>‘ % (type(self).__name__, self.greenlet, self.value)
        else:
            return ‘<%s greenlet=%s exc_info=%r>‘ % (type(self).__name__, self.greenlet, self.exc_info)

    def ready(self):
        """Return true if and only if it holds a value or an exception"""
        return self._exception is not _NONE

    def successful(self):
        """Return true if and only if it is ready and holds a value"""
        return self._exception is None

    @property
    def exc_info(self):
        "Holds the exception info passed to :meth:`throw` if :meth:`throw` was called. Otherwise ``None``."
        if self._exception is not _NONE:
            return self._exception

    #调度greenlet的运行，这种方法仅仅能在hub的loop里面运行
    def switch(self, value=None):
        """Switch to the greenlet if one‘s available. Otherwise store the value."""
        greenlet = self.greenlet
        if greenlet is None:
            self.value = value
            self._exception = None
        else:
            #仅仅能在hub里面调用waiter的switch方法
            assert getcurrent() is self.hub, "Can only use Waiter.switch method from the Hub greenlet"
            switch = greenlet.switch
            try:
                switch(value)   #恢复记录的greenlet的运行
            except:
                self.hub.handle_error(switch, *sys.exc_info())

    def switch_args(self, *args):
        return self.switch(args)

    def throw(self, *throw_args):
        """Switch to the greenlet with the exception. If there‘s no greenlet, store the exception."""
        greenlet = self.greenlet
        if greenlet is None:
            self._exception = throw_args
        else:
            assert getcurrent() is self.hub, "Can only use Waiter.switch method from the Hub greenlet"
            throw = greenlet.throw
            try:
                throw(*throw_args)
            except:
                self.hub.handle_error(throw, *sys.exc_info())

    #这个的最基本的作用就是记录要等待的greenlet
    def get(self):
        """If a value/an exception is stored, return/raise it. Otherwise until switch() or throw() is called."""
        if self._exception is not _NONE:
            if self._exception is None:
                return self.value
            else:
                getcurrent().throw(*self._exception)
        else:
            assert self.greenlet is None, ‘This Waiter is already used by %r‘ % (self.greenlet, )
            self.greenlet = getcurrent()  #记录当前的greenlet对象。在hub的loop里面将会调用当前waiter的switch回调，将会恢复这个greenlet的运行
            try:
                return self.hub.switch()  #切换到hub上面去运行，那么原来那个greenlet的运行到这里就临时中断了，待会switch会这里继续运行
            finally:
                self.greenlet = None

    def __call__(self, source):
        if source.exception is None:
            self.switch(source.value)
        else:
            self.throw(source.exception)

    # can also have a debugging version, that wraps the value in a tuple (self, value) in switch()
    # and unwraps it in wait() thus checking that switch() was indeed called

这个代码应非常好理解，并且凝视都说的非常清楚。

。。

比較重要的就是get方法，这种方法将会保存当前运行的协程，然后切换到hub的运行，对于switch方法，将会切换回刚開始的协程的运行。。

好了，上面介绍了sleep不带超时的实现。

。

接下来来看看带超时的实现：

hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))  #带定时的wait

这里首先创建了一个timer对象。这个能够理解为在loop上面注冊了一个超时，接着看代码：

#用于在loop上面注冊watcher并等待
    def wait(self, watcher):
        waiter = Waiter() #首先创建一个waiter对象
        unique = object() 
        watcher.start(waiter.switch, unique) #当watcher超时的时候将会调用waiter的switch方法
        try:
            result = waiter.get() #调用waiter的get方法，主要是让将当前调用sleep的greenlet切换出去。然后切换到hub的执行
            assert result is unique, ‘Invalid switch into %s: %r (expected %r)‘ % (getcurrent(), result, unique)
        finally:
            watcher.stop()

依旧是创建waiter对象，以及它的get方法，只是这里要注意的是，将waiter的switch回调是注冊到刚刚创建的timer对象上的，而不是直接注冊到loop上面。这样待会timer超时的时候将会调用回调。恢复sleep的协程的运行。。

好了。这里gevent的大体上协程，以及切换关系都几乎相同了。

。

。。