協程基礎

協程基礎

1、引言

以前咱們學習了線程、進程的概念，瞭解了在操做系統中進程是資源分配的最小單位,線程是CPU調度的最小單位。按道理來講咱們已經算是把CPU的利用率提升不少了。可是咱們知道不管是建立多進程仍是建立多線程來解決問題，都要消耗必定的時間來建立進程、建立線程、以及管理他們之間的切換。

隨着咱們對於效率的追求不斷提升，基於單線程來實現併發又成爲一個新的課題，即只用一個主線程（很明顯可利用的cpu只有一個）狀況下實現併發。這樣就能夠節省建立線進程所消耗的時間。

爲此咱們須要先回顧下併發的本質：切換+保存狀態。

CPU正在運行一個任務，會在兩種狀況下切走去執行其餘的任務（切換由操做系統強制控制），一種狀況是該任務發生了阻塞，另一種狀況是該任務計算的時間過長。

ps：在介紹進程理論時，說起進程的三種執行狀態，而線程纔是執行單位，因此也能夠將上圖理解爲線程的三種狀態。

一：其中第二種狀況並不能提高效率，只是爲了讓cpu可以雨露均沾，實現看起來全部任務都被「同時」執行的效果，若是多個任務都是純計算的，這種切換反而會下降效率。

爲此咱們能夠基於yield來驗證。yield自己就是一種在單線程下能夠保存任務運行狀態的方法，咱們來簡單複習一下：

1. yiled能夠保存狀態，yield的狀態保存與操做系統的保存線程狀態很像，可是yield是代碼級別控制的，更輕量級
2. send能夠把一個函數的結果傳給另一個函數，以此實現單線程內程序之間的切換

2、協程介紹

協程：是單線程下的併發，又稱微線程，纖程。英文名Coroutine。

一句話說明什麼是協程：協程是一種用戶態的輕量級線程，即協程是由用戶程序本身控制調度的。

須要強調的是：

1. Python的線程屬於內核級別的，即由操做系統控制調度(如單線程遇到IO或執行時間過長就會被迫交出CPU執行權限，切換其餘線程運行)
2. 單線程內開啓協程，一旦遇到IO，就會從應用程序級別(而非操做系統)控制切換，今後來提高效率(！！！非IO操做的切換與效率無關)

對比操做系統控制線程的切換，用戶在單線程內控制協程的切換。

優勢：

1. 協程的切換開銷更小，屬於程序級別的切換，操做系統徹底感知不到，於是更加輕量級
2. 單線程內的久能夠實現併發的效果，最大限度的利用CPU

缺點：

1. 協程的本質是單線程下，沒法利用多核，能夠是一個程序開啓多個進程，每一個進程內開啓多個線程，每一個線程內開啓協程。
2. 協程指的是單個線程，於是一旦協程出現阻塞，將會阻塞整個線程。

總結協程特色：

1. 必須在只有一個單線程裏是實現併發
2. 修改共享數據不須要加鎖
3. 用戶程序裏本身保存多個控制流的上下文棧
4. 附加：一個協程遇到IO操做自動切換到其餘協程(如何實現檢測IO、yield、greenlet都沒法實現，就用到了gevent模塊(select機制))

1.1經過yield實現協程

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

### 對比經過yeild切換運行的時間反而比串行更消耗時間，這樣實現的攜程是沒有意義的。
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介紹

安裝

pip3 install gevent

Gevent 是一個第三方庫，能夠輕鬆經過gevent實現併發同步或異步編程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C擴展模塊形式接入Python的輕量級協程。 Greenlet所有運行在主程序操做系統進程的內部，但它們被協做式地調度。

用法

g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)建立一個協程對象g1，spawn括號內第一個參數是函數名，如eat，後面能夠有多個參數，能夠是位置實參或關鍵字實參，都是傳給函數eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join() #等待g1結束
g2.join() #等待g2結束

或者上述兩步合做一步：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)模擬的是gevent能夠識別的io阻塞,

而time.sleep(2)或其餘的阻塞,gevent是不能直接識別的須要用下面一行代碼,打補丁,就能夠識別了

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必須放到被打補丁者的前面，如time，socket模塊以前

或者咱們乾脆記憶成：要用gevent，須要將from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的開頭

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
# 若是打好了補丁 就能夠識別非gevent.sleep阻塞進行切換
print(end-start)