Day29：协程

一、协程

协程，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。

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此：

协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。

1.1 yield与协程

import time

"""
传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息，一个线程取消息，通过锁机制控制队列和等待，但一不小心就可能死锁。
如果改用协程，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产，效率极高。
"""
# 注意到consumer函数是一个generator（生成器）:
# 任何包含yield关键字的函数都会自动成为生成器(generator)对象

def consumer():
    r = ''
    while True:
        # 3、consumer通过yield拿到消息，处理，又通过yield把结果传回；
        #    yield指令具有return关键字的作用。然后函数的堆栈会自动冻结(freeze)在这一行。
        #    当函数调用者的下一次利用next()或generator.send()或for-in来再次调用该函数时，
        #    就会从yield代码的下一行开始，继续执行，再返回下一次迭代结果。通过这种方式，迭代器可以实现无限序列和惰性求值。
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] ←← Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'
def produce(c):
    # 1、首先调用c.next()启动生成器
    next(c)
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] →→ Producing %s...' % n)
        # 2、然后，一旦生产了东西，通过c.send(n)切换到consumer执行；
        cr = c.send(n)
        # 4、produce拿到consumer处理的结果，继续生产下一条消息；
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % cr)
    # 5、produce决定不生产了，通过c.close()关闭consumer，整个过程结束。
    c.close()
if __name__=='__main__':
    # 6、整个流程无锁，由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。
    c = consumer()
    produce(c)
    
'''
result:

[PRODUCER] →→ Producing 1...
[CONSUMER] ←← Consuming 1...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] →→ Producing 2...
[CONSUMER] ←← Consuming 2...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] →→ Producing 3...
[CONSUMER] ←← Consuming 3...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] →→ Producing 4...
[CONSUMER] ←← Consuming 4...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] →→ Producing 5...
[CONSUMER] ←← Consuming 5...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
'''

1.2 greenlet

greenlet机制的主要思想是：生成器函数或者协程函数中的yield语句挂起函数的执行，直到稍后使用next()或send()操作进行恢复为止。可以使用一个调度器循环在一组生成器函数之间协作多个任务。greentlet是python中实现我们所谓的"Coroutine(协程)"的一个基础库。

from greenlet import greenlet
 
def test1():
    print (12)
    gr2.switch()
    print (34)
    gr2.switch()
 
def test2():
    print (56)
    gr1.switch()
    print (78)
 
gr1 = greenlet(test1)
gr2 = greenlet(test2)
gr1.switch()

1.3 gevent模块实现协程

Python通过yield提供了对协程的基本支持，但是不完全。而第三方的gevent为Python提供了比较完善的协程支持。

gevent是第三方库，通过greenlet实现协程，其基本思想是：

当一个greenlet遇到IO操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO。

由于切换是在IO操作时自动完成，所以gevent需要修改Python自带的一些标准库，这一过程在启动时通过monkey patch完成：

import gevent
import time

def foo():
    print("running in foo")
    gevent.sleep(2)
    print("switch to foo again")

def bar():
    print("switch to bar")
    gevent.sleep(5)
    print("switch to bar again")

start=time.time()

gevent.joinall(
    [gevent.spawn(foo),
    gevent.spawn(bar)]
)

print(time.time()-start)

当然，实际代码里，我们不会用gevent.sleep()去切换协程，而是在执行到IO操作时，gevent自动切换，代码如下：

from gevent import monkey
monkey.patch_all()
import gevent
from urllib import request
import time

def f(url):
    print('GET: %s' % url)
    resp = request.urlopen(url)
    data = resp.read()
    print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))

start=time.time()

gevent.joinall([
        gevent.spawn(f, 'https://itk.org/'),
        gevent.spawn(f, 'https://www.github.com/'),
        gevent.spawn(f, 'https://zhihu.com/'),
])

# f('https://itk.org/')
# f('https://www.github.com/')
# f('https://zhihu.com/')

print(time.time()-start)

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一


gevent是一个基于协程（coroutine）的Python网络函数库，通过使用greenlet提供了一个在libev事件循环顶部的高级别并发API。

主要特性有以下几点：

<1> 基于libev的快速事件循环，Linux上面的是epoll机制

<2> 基于greenlet的轻量级执行单元

<3> API复用了Python标准库里的内容

<4> 支持SSL的协作式sockets

<5> 可通过线程池或c-ares实现DNS查询

<6> 通过monkey patching功能来使得第三方模块变成协作式

gevent.spawn()方法spawn一些jobs，然后通过gevent.joinall将jobs加入到微线程执行队列中等待其完成，设置超时为2秒。执行后的结果通过检查gevent.Greenlet.value值来收集。


＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝二
1、关于Linux的epoll机制：

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的
增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。epoll的优点：

（1）支持一个进程打开大数目的socket描述符。select的一个进程所打开的FD由FD_SETSIZE的设置来限定，而epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是
最大可打开文件的数目，远大于2048。

（2）IO效率不随FD数目增加而线性下降：由于epoll只会对“活跃”的socket进行操作，于是，只有”活跃”的socket才会主动去调用 callback函数，其他
idle状态的socket则不会。

（3）使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。

（4）内核微调。

2、libev机制

提供了指定文件描述符事件发生时调用回调函数的机制。libev是一个事件循环器：向libev注册感兴趣的事件，比如socket可读事件，libev会对所注册的事件
的源进行管理，并在事件发生时触发相应的程序。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝三


‘’‘

import gevent

            from gevent import socket

            urls = [‘www.google.com.hk’,’www.example.com’, ‘www.python.org’ ]

            jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]

            gevent.joinall(jobs, timeout=2)

            [job.value for job in jobs]


[‘74.125.128.199’, ‘208.77.188.166’, ‘82.94.164.162’]

            ’‘’

gevent.spawn()方法spawn一些jobs，然后通过gevent.joinall将jobs加入到微线程执行队列中等待其完成，设置超时为2秒。执行后的结果通过检查gevent.Greenlet.value值来收集。gevent.socket.gethostbyname()函数与标准的socket.gethotbyname()有相同的接口，但它不会阻塞整个解释器，因此会使得其他的greenlets跟随着无阻的请求而执行。

Monket patching

Python的运行环境允许我们在运行时修改大部分的对象，包括模块、类甚至函数。虽然这样做会产生“隐式的副作用”，而且出现问题很难调试，但在需要修改Python本身的基础行为时，Monkey patching就派上用场了。Monkey patching能够使得gevent修改标准库里面大部分的阻塞式系统调用，包括socket,ssl,threading和select等模块，而变成协作式运行。



from gevent import monkey ;

monkey . patch_socket ()

import urllib2



通过monkey.patch_socket()方法，urllib2模块可以使用在多微线程环境，达到与gevent共同工作的目的。

事件循环

不像其他网络库，gevent和eventlet类似， 在一个greenlet中隐式开始事件循环。没有必须调用run()或dispatch()的反应器(reactor)，在twisted中是有 reactor的。当gevent的API函数想阻塞时，它获得Hub实例(执行时间循环的greenlet),并切换过去。如果没有集线器实例则会动态 创建。

libev提供的事件循环默认使用系统最快轮询机制，设置LIBEV_FLAGS环境变量可指定轮询机制。LIBEV_FLAGS=1为select， LIBEV_FLAGS = 2为poll， LIBEV_FLAGS = 4为epoll,LIBEV_FLAGS = 8为kqueue。

Libev的API位于gevent.core下。注意libev API的回调在Hub的greenlet运行，因此使用同步greenlet的API。可以使用spawn()和Event.set()等异步API。

扩展

eventlet实现协程(了解)

eventlet 是基于 greenlet 实现的面向网络应用的并发处理框架，提供“线程”池、队列等与其他 Python 线程、进程模型非常相似的 api，并且提供了对 Python 发行版自带库及其他模块的超轻量并发适应性调整方法，比直接使用 greenlet 要方便得多。

其基本原理是调整 Python 的 socket 调用，当发生阻塞时则切换到其他 greenlet 执行，这样来保证资源的有效利用。需要注意的是：
eventlet 提供的函数只能对 Python 代码中的 socket 调用进行处理，而不能对模块的 C 语言部分的 socket 调用进行修改。对后者这类模块，仍然需要把调用模块的代码封装在 Python 标准线程调用中，之后利用 eventlet 提供的适配器实现 eventlet 与标准线程之间的协作。
虽然 eventlet 把 api 封装成了非常类似标准线程库的形式，但两者的实际并发执行流程仍然有明显区别。在没有出现 I/O 阻塞时，除非显式声明，否则当前正在执行的 eventlet 永远不会把 cpu 交给其他的 eventlet，而标准线程则是无论是否出现阻塞，总是由所有线程一起争夺运行资源。所有 eventlet 对 I/O 阻塞无关的大运算量耗时操作基本没有什么帮助。

1.4 总结

协程的好处：

无需线程上下文切换的开销
无需原子操作锁定及同步的开销
方便切换控制流，简化编程模型
高并发+高扩展性+低成本：一个CPU支持上万的协程都不是问题。所以很适合用于高并发处理。
缺点：

无法利用多核资源：协程的本质是个单线程,它不能同时将 单个CPU 的多个核用上,协程需要和进程配合才能运行在多CPU上.当然我们日常所编写的绝大部分应用都没有这个必要，除非是cpu密集型应用。
进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序。