协程

1、协程的理解

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine，是一种用户态的轻量级线程。

注意：
　　1. python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度（如单线程一旦遇到io就被迫交出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，从应用程序级别（而非操作系统）控制切换
协程优点：
　　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
协程缺点：
　　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

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（线程调度时候寄存器上下文及栈等保存在内存中），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。

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。

2、yield的运用

从句法上看，协程与生成器类似，都是定义体中包含 yield 关键字的函数。可是，在协程中， yield 通常出现在表达式的右边（例如， datum = yield），可以产出值，也可以不产出 —— 如果 yield 关键字后面没有表达式，那么生成器产出 None。

协程可能会从调用方接收数据，不过调用方把数据提供给协程使用的是 .send(datum) 方法，而不是next(…) 函数。

==yield 关键字甚至还可以不接收或传出数据。不管数据如何流动， yield 都是一种流程控制工具，使用它可以实现协作式多任务：协程可以把控制器让步给中心调度程序，从而激活其他的协程==。

import random
def create_generator_function(n):
    i = 0
    while i < n:
        b = yield i
        print("It's {0}".format(b))
        i = i + 1
obj = create_generator_function(5)
obj1 = obj.next()
x = 0
while x<5:
    try:
        obj1 = obj.send(random.random()) 
    except:
        pass
    x += 1

我们先给协程一个标准定义，即符合什么条件就能称之为协程：

1. 必须在只有一个单线程里实现并发
2. 修改共享数据不需加锁
3. 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
4. 一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程

基于上面这4点定义，我们刚才用yield实现的程并不能算是合格的线程，不满足最后一条。

 如何实现单线程下并发效果：遇到IO操作就切换，协程之所以能处理大并发，就是由于挤掉了IO操作，使得CPU一直运行。

关键在于切换出来后，什么时候再切换回去？？需要程序自动监测IO操作，IO操作结束就切换回去。

以上我们是通过yeild实现的协程的功能，yield能实现协程，不过实现过程不易于理解，greenlet是在这方面做了改进。

3、Greenlet

Greenlet是python的一个C扩展，来源于Stackless python，旨在提供可自行调度的‘微线程’， 即协程。generator实现的协程在yield value时只能将value返回给调用者(caller)。 而在greenlet中，target.switch（value）可以切换到指定的协程（target）， 然后yield value。greenlet用switch来表示协程的切换，从一个协程切换到另一个协程需要显式指定。是一种手动切换

4、gevent

gevent是第三方库，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。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。