并发编程之携程
Posted luke哈哈
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了并发编程之携程相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
协程介绍
一 引子
本节的主题是基于单线程来实现并发,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,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或有一个优先级更高的程序替代了它
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:
单纯地切换反而会降低运行效率
二:第一种情况的切换。在任务一遇到io情况下,切到任务二去执行,这样就可以利用任务一阻塞的时间完成任务二的计算,效率的提升就在于此。
对于单线程下,我们不可避免程序中出现io操作,但如果我们能在自己的程序中(即用户程序级别,而非操作系统级别)控制单线程下的多个任务能在一个任务遇到io阻塞时就切换到另外一个任务去计算,这样就保证了该线程能够最大限度地处于就绪态,即随时都可以被cpu执行的状态,相当于我们在用户程序级别将自己的io操作最大限度地隐藏起来,从而可以迷惑操作系统,让其看到:该线程好像是一直在计算,io比较少,从而更多的将cpu的执行权限分配给我们的线程。
协程的本质就是在单线程下,由用户自己控制一个任务遇到io阻塞了就切换另外一个任务去执行,以此来提升效率。为了实现它,我们需
要找寻一种可以同时满足以下条件的解决方案:
1. 可以控制多个任务之间的切换,切换之前将任务的状态保存下来,以便重新运行时,可以基于暂停的位置继续执行。
2. 作为1的补充:可以检测io操作,在遇到io操作的情况下才发生切换
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。一句话说明什么是线程: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,以此来提升效率(!!!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,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:
- 必须在只有一个单线程里实现并发
- 修改共享数据不需加锁
- 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
- 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))
greenlet模块
如果我们在单个线程内有20个任务,要想实现在多个任务之间切换,使用yield生成器的方式过于麻烦(需要先得到初始化一次的生成器,然后再调用send。。。非常麻烦),而使用greenlet模块可以非常简单地实现这20个任务直接的切换
#安装:pip3 install greenlet from greenlet import greenlet def eat(name): print(\'%s eat 1\' %name) g2.switch(\'egon\') print(\'%s eat 2\' %name) g2.switch() def play(name): print(\'%s play 1\' %name) g1.switch() print(\'%s play 2\' %name) g1=greenlet(eat) g2=greenlet(play) g1.switch(\'egon\')#可以在第一次switch时传入参数,以后都不需要
gevent模块
一 gevent模块
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
遇到IO阻塞时会自动切换任务
1 import gevent 2 def eat(name): 3 print(\'%s eat 1\' %name) 4 gevent.sleep(2) 5 print(\'%s eat 2\' %name) 6 7 def play(name): 8 print(\'%s play 1\' %name) 9 gevent.sleep(1) 10 print(\'%s play 2\' %name) 11 12 13 g1=gevent.spawn(eat,\'egon\') 14 g2=gevent.spawn(play,name=\'egon\') 15 g1.join() 16 g2.join() 17 #或者gevent.joinall([g1,g2]) 18 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
1 from gevent import monkey;monkey.patch_all() 2 3 import gevent 4 import time 5 def eat(): 6 print(\'eat food 1\') 7 time.sleep(2) 8 print(\'eat food 2\') 9 10 def play(): 11 print(\'play 1\') 12 time.sleep(1) 13 print(\'play 2\') 14 15 g1=gevent.spawn(eat) 16 g2=gevent.spawn(play_phone) 17 gevent.joinall([g1,g2]) 18 print(\'主\')
我们可以用threading.current_thread().getName()来查看每个g1和g2,查看的结果为DummyThread-n,即假线程
二 基于gevent模块实现并发的套接字通信
服务端
1 from gevent import monkey;monkey.patch_all() 2 from socket import * 3 import gevent 4 5 #如果不想用money.patch_all()打补丁,可以用gevent自带的socket 6 # from gevent import socket 7 # s=socket.socket() 8 9 def server(server_ip,port): 10 s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) 11 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) 12 s.bind((server_ip,port)) 13 s.listen(5) #最大挂起数为5,当accept来不及取出监听的5个链接时,还有其他的新的链接请求就会被拒绝ConnectionRefusedError: [WinError 10061] 14 15 while True: 16 conn,addr=s.accept() 17 gevent.spawn(talk,conn,addr) #一个conn套接字对应一个client端套接字 18 #此方法好处在于某个conn遇到IO gevent会自动切换到其他conn对应的talk()函数,但当某个conn基本没有IO或IO小时,其他的conn就需要等待很长时间 19 20 def talk(conn,addr): #一个conn套接字对应一个通讯函数 21 try: 22 while True: 23 res=conn.recv(1024) 24 print(\'client %s:%s msg: %s\' %(addr[0],addr[1],res)) 25 conn.send(res.upper()) 26 except Exception as e: # 阻塞IO模型,当遇到某一个client端链接断开时会触发, 27 print(e) 28 finally: 29 print(1) 30 conn.close() # 当server端关闭对应某个conn时,对应的client端需要重新发起链接请求,在这个例子中,client循环完了500就结束了,因此除了问题的链接不会再重新发起链接了 31 32 if __name__ == \'__main__\': 33 server(\'127.0.0.1\',8080)
客户端
1 from threading import Thread 2 from socket import * 3 import threading 4 5 def client(server_ip,port): 6 c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #套接字对象一定要加到函数内,即局部名称空间内,放在函数外则被所有线程共享,则大家公用一个套接字对象,那么客户端端口永远一样了 7 c.connect((server_ip,port)) 8 9 count=0 10 while True: 11 c.send((\'%s say hello %s\' %(threading.current_thread().getName(),count)).encode(\'utf-8\')) 12 msg=c.recv(1024) 13 print(msg.decode(\'utf-8\')) 14 count+=1 15 if __name__ == \'__main__\': 16 for i in range(500): 17 t=Thread(target=client,args=(\'127.0.0.1\',8080)) 18 t.start()
以上是关于并发编程之携程的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
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