协程:又名微线程,纤程。英文名Coroutine,底层是用生成器yield 实现。同步异步讲解
子程序,或者称为函数,在所有语言中都是层级调用,比如A调用B,B在执行过程中又调用了C,C执行完毕返回,B执行完毕返回,最后是A执行完毕。所以子程序调用是通过栈实现的,一个线程就是执行一个子程序。子程序调用总是一个入口,一次返回,调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。
协程看上去也是子程序,但执行过程中,在子程序内部可中断,然后转而执行别的子程序,在适当的时候再返回来接着执行。
注意,在一个子程序中中断,去执行其他子程序,不是函数调用,有点类似CPU的中断。比如子程序A、B
def A():
print('1')
print('2')
print('3')
def B():
print('x')
print('y')
print('z')
假设由协程执行,在执行A的过程中,可以随时中断,去执行B,B也可能在执行过程中中断再去执行A,结果可能是:
1
2
x
y
3
z
但是在A中是没有调用B的,所以协程的调用比函数调用理解起来要难一些。
看起来A、B的执行有点像多线程,但协程的特点在于是一个线程执行,那和多线程比,协程有何优势?
最大的优势就是协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换,而是由程序自身控制,因此,没有线程切换的开销,和多线程比,线程数量越多,协程的性能优势就越明显。
第二大优势就是不需要多线程的锁机制,因为只有一个线程,也不存在同时写变量冲突,在协程中控制共享资源不加锁,只需要判断状态就好了,所以执行效率比多线程高很多。
因为协程是一个线程执行,那怎么利用多核CPU呢?最简单的方法是多进程+协程,既充分利用多核,又充分发挥协程的高效率,可获得极高的性能。
Python对协程的支持是通过generator实现的。
在generator中,我们不但可以通过for
循环来迭代,还可以不断调用next()
函数获取由yield
语句返回的下一个值。
但是Python的yield
不但可以返回一个值,它还可以接收调用者发出的参数。
来看例子:
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:
def consumer():
r = ''
while True:
n = yield r
if not n:
return
print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
r = '200 OK'
def produce(c):
c.send(None)
n = 0
while n < 5:
n = n + 1
print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
r = c.send(n)
print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
c.close()
c = consumer()
produce(c)
执行结果:
[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
要看懂上面的例子,关键在于要理解下面几点:
1、例子中的c.send(None)
,其功能类似于next(c)
,比如:
In [5]: def num():
...: yield 1
...: yield 2
...:
In [6]: c = num()
In [7]: c.send(None)
Out[7]: 1
In [8]: c.send(None)
Out[8]: 2
In [9]: c.send(None)
---------------------------------------------------------------------------
StopIteration Traceback (most recent call last)
<ipython-input-9-1f377d70f7a5> in <module>()
----> 1 c.send(None)
StopIteration:
In [10]:
2、n = yield r
,这里是一条语句,但要理解两个知识点,赋值语句先计算 =
右边,由于右边是 yield
语句,所以yield
语句执行完以后,进入暂停,而赋值语句在下一次启动生成器的时候首先被执行;
3、send
在接受None
参数的情况下,等同于next(generator)
的功能,但send
同时也可接收其他参数,比如例子中的c.send(n)
,要理解这种用法,先看一个例子:
In [10]: def num():
...: a = yield 1
...: while True:
...: a = yield a
...:
In [11]: c = num()
In [12]: c.send(None)
Out[12]: 1
In [13]: c.send(5)
Out[13]: 5
In [14]: c.send(100)
Out[14]: 100
In [15]:
在上面的例子中,首先使用 c.send(None)
,返回生成器的第一个值,a = yield 1
,也就是1
(但此时,并未执行赋值语句),
接着我们使用了c.send(5)
,再次启动生成器,并同时传入了一个参数 5
,再次启动生成的时候,从上次yield
语句断掉的地方开始执行,即 a
的赋值语句,由于我们传入了一个参数 5
,所以a
被赋值为5,接着程序进入whlie
循环,当程序执行到 a = yield a
,同理,先返回生成器的值 5
,下次启动生成器的时候,再执行赋值语句,以此类推...
所以c.send(n)
的用法就是老师上文中所说的 ," Python的yield
不但可以返回一个值,它还可以接收调用者发出的参数。"
但注意,在一个生成器函数未启动之前,是不能传递值进去。也就是说在使用c.send(n)
之前,必须先使用c.send(None)
或者next(c)
来返回生成器的第一个值。
最后我们来看上文中的例子,梳理下执行过程:
第一步:执行 c.send(None)
,启动生成器返回第一个值,n = yield r
,此时 r
为空,n
还未赋值,然后生成器暂停,等待下一次启动。
第二步:生成器返回空值后进入暂停,produce(c)
接着往下运行,进入While
循环,此时 n
为1
,所以打印:
[PRODUCER] Producing 1...
第三步:produce(c)
往下运行到 r = c.send(1)
,再次启动生成器,并传入了参数1
,而生成器从上次n
的赋值语句开始执行,n
被赋值为1
,n
存在,if
语句不执行,然后打印:
[CONSUMER] Consuming 1...
接着r
被赋值为'200 OK'
,然后又进入循环,执行n = yield r
,返回生成器的第二个值,'200 OK'
,然后生成器进入暂停,等待下一次启动。
第四步:生成器返回'200 OK'
进入暂停后,produce(c)
往下运行,进入r
的赋值语句,r
被赋值为'200 OK'
,接着往下运行,打印:
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
以此类推...
当n
为5
跳出循环后,使用c.close()
结束生成器的生命周期,然后程序运行结束。