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协程、 事件驱动介绍详解

lxf 2018年07月09日 编程语言 265 0

一、协程介绍

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。线程和进程的操作是由程序触发系统接口,最后的执行者是系统;协程的操作执行者则是用户自身程序。

 

简单定义:

  1. 寄存在线程中,单线程下可以实现多并发效果
  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

协程的优点

  • 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:"原子操作(atomic operation)是不需要synchronized",所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作;这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何 context switch (切换到另一个线程)。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序是不可以被打乱,或者切割掉只执行部分。视作整体是原子性的核心。
  • 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

协程的适用场景:当程序中存在大量不需要CPU的操作时(也就是平时所说的IO密集型程序),适用于协程;

 

协程简单实现:yield

demo:

#!/usr/bin/env python3 
#_*_ coding:utf-8 _*_ 
#Author:wd 
import time 
 
def consumer(name): 
    print("%s开始吃桃子。。。。"%name) 
    r=" " 
    while True: 
        new_food=yield r #通过yeild向生产者发送消息 
        print("[%s]开始吃桃子[%s]"%(name,new_food)) 
        r=name 
 
 
 
def product(): 
 
    con.__next__()   #先执行__next__方法启动生成器 
    con1.__next__() 
    n=0 
    while n<5: 
        print("桃子熟了,可以吃了") 
        r1=con.send(n)    #向生成器(consumer)发送消息并激活生成器 
        r2=con1.send(n) 
        print("[product] return %s ok" %r1) 
        print("[product] return %s ok" % r2) 
        n+=1 
        time.sleep(1) 
    con.close() 
    con1.close() 
if __name__ == '__main__': 
    con=consumer("wd") 
    con1=consumer("jack") 
    p=product()

执行结果:

wd开始吃桃子。。。。 
jack开始吃桃子。。。。 
桃子熟了,可以吃了 
[wd]开始吃桃子[0] 
[jack]开始吃桃子[0] 
[product] return wd ok 
[product] return jack ok 
桃子熟了,可以吃了 
[wd]开始吃桃子[1] 
[jack]开始吃桃子[1] 
[product] return wd ok 
[product] return jack ok

上述程序运行过程:

1.con=cusumer("wd"),使customer变成生成器(generator),con1=cusumer("jack")同理

2.p=product(),执行product函数,执行con.__next__()启动生成器,切回consumer函数运行

3.consumer函数执行到new__food=yeild r,此时遇到yeild停止并保存当前运行状态,继续切到product()函数原来状态执行,并通过yield把r的值返回给pruduct。

4.运行到r1=con.send(n),product通过send向cusumer发送消息,并通过r1接受来自于customer的消息返回,程序切到customer运行,此时cusumer又开始步骤3

5.最后product没有生产消息了,也就是停止了,通过con.close()关闭consumer,整个过程结束。

上述过程可以看到,整个切换过程在一个线程中进行,并且全程无锁,完全依赖product和cusumer协作完成。

 

greenlet 

greenlet是一个用C实现的协程模块,相比与python自带的yield,它可以使你在任意函数之间随意切换,而不需把这个函数先声明为generator,但是greenlet还是未实现遇IO自动切换,而是使用switch()方法实现的切换。

demo:

import time 
from greenlet import greenlet 
 
 
def fun1(): 
 
    print("运行 函数 A") 
 
    time.sleep(1) 
    print("结束运行函数A") 
    gr3.switch() 
 
def fun2(): 
    print("运行 函数 B") 
    gr1.switch() 
 
 
def fun3(): 
    print("运行 函数 C") 
    gr2.switch() 
 
if __name__ == '__main__': 
    gr1=greenlet(fun1) 
    gr2=greenlet(fun2) 
    gr3=greenlet(fun3) 
    gr1.switch()#启动,相当于generator中一开始执行__next__方法,如果没有这段代码,程序不会运行 
 
运行结果: 
运行 函数 A 
结束运行函数A 
运行 函数 C 
运行 函数 B

 

gevent

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。

  其内部原理大致如下:

 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。我们通过gevent.sleep()来模拟IO操作。

demo:

import gevent 
import time 
 
def fun1(n): 
    #time.sleep(1)如果使用time.sleep,并不会发生切换 
    print("run fun1....") 
    gevent.sleep(n) 
 
    print("end fun1 ....") 
 
def fun2(n): 
    print("run fun2....") 
    gevent.sleep(n) 
    print("end fun2 ....") 
 
def fun3(n): 
    print("run fun3....") 
    gevent.sleep(n) 
    print("end fun3 ....") 
 
if __name__ == '__main__': 
    g1 = gevent.spawn(fun1,1) 
    g2 = gevent.spawn(fun2, 1) 
    g3 = gevent.spawn(fun3, 2) 
    g1.join()#启动 
    g2.join() 
    g3.join() 
运行结果: 
run fun1.... 
run fun2.... 
run fun3.... 
end fun1 .... 
end fun2 .... 
end fun3 ....

如果看不出来效果,请看下面代码:

import gevent 
  
def task(pid): 
    """ 
    Some non-deterministic task 
    """ 
    gevent.sleep(0.5)#模拟遇到IO切换到其他线程 
    print('Task %s done' % pid) 
  
def synchronous(): 
    for i in range(1,10): 
        task(i) 
  
def asynchronous(): 
    threads = [gevent.spawn(task, i) for i in range(10)] 
    gevent.joinall(threads) 
  
print('Synchronous:') 
synchronous() 
  
print('Asynchronous:') 
asynchronous()
IO切换和不切换效果对比

上面的demo并不能让gevent识别IO操作,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:

遇IO自动切换demo:

#!/usr/bin/env python3 
#_*_ coding:utf-8 _*_ 
#Author:wd 
from gevent import monkey; 
import gevent 
from  urllib.request import urlopen 
monkey.patch_all()#让gevent识别IO操作 
 
def f(url): 
    print('GET: %s' % url) 
    resp = urlopen(url)#IO操作 
    print("===========") 
    data = resp.read()#IO操作 
    print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url)) 
 
 
gevent.joinall([ 
    gevent.spawn(f, 'http://www.cnblogs.com/'), 
    gevent.spawn(f, 'https://www.taobao.com/'), 
    gevent.spawn(f, 'https://www.baidu.com/'), 
])
结果: GET: http:
//www.cnblogs.com/ GET: https://www.taobao.com/ GET: https://www.baidu.com/ ======== 227 bytes received from https://www.baidu.com/. ======== ======== 122189 bytes received from https://www.taobao.com/. 45427 bytes received from http://www.cnblogs.com/.

 通过gevent实现socket多并发

import sys 
import socket 
import time 
import gevent 
  
from gevent import socket,monkey 
monkey.patch_all() 
  
  
def server(port): 
    s = socket.socket() 
    s.bind(('0.0.0.0', port)) 
    s.listen(500) 
    while True: 
        cli, addr = s.accept() 
        gevent.spawn(handle_request, cli) 
  
  
  
def handle_request(conn): 
    try: 
        while True: 
            data = conn.recv(1024) 
            print("recv:", data) 
            conn.send(data) 
            if not data: 
                conn.shutdown(socket.SHUT_WR) 
  
    except Exception as  ex: 
        print(ex) 
    finally: 
        conn.close() 
if __name__ == '__main__': 
    server(8001)

 

 

二、事件驱动介绍
通常,我们写服务器处理模型的程序时,有以下几种模型:
(1)每收到一个请求,创建一个新的进程,来处理该请求;
(2)每收到一个请求,创建一个新的线程,来处理该请求;
(3)每收到一个请求,放入一个事件列表,让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求
上面的几种方式,各有千秋,
第(1)中方法,由于创建新的进程的开销比较大,所以,会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。
第(2)种方式,由于要涉及到线程的同步,有可能会面临 死锁等问题。
第(3)种方式,在写应用程序代码时,逻辑比前面两种都复杂。
综合考虑各方面因素,一般普遍认为第(3)种方式是大多数 网络服务器采用的方式
 

看图说话讲事件驱动模型

在UI编程中,常常要对鼠标点击进行相应,首先如何获得鼠标点击呢?
方式一:创建一个线程,该线程一直循环检测是否有鼠标点击,那么这个方式有以下几个缺点
1. CPU资源浪费,可能鼠标点击的频率非常小,但是扫描线程还是会一直循环检测,这会造成很多的CPU资源浪费;如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢?
2. 如果是堵塞的,又会出现下面这样的问题,如果我们不但要扫描鼠标点击,还要扫描键盘是否按下,由于扫描鼠标时被堵塞了,那么可能永远不会去扫描键盘;
3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多,这又会引来响应时间的问题;
所以,该方式是非常不好的。

方式二:就是事件驱动模型
目前大部分的UI编程都是事件驱动模型,如很多UI平台都会提供onClick()事件,这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下:
1. 有一个事件(消息)队列;
2. 鼠标按下时,往这个队列中增加一个点击事件(消息);
3. 有个循环,不断从队列取出事件,根据不同的事件,调用不同的函数,如onClick()、onKeyDown()等;
4. 事件(消息)一般都各自保存各自的处理函数指针,这样,每个消息都有独立的处理函数;

 

事件驱动编程是一种编程范式,这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环,当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是(单线程)同步以及多线程编程。

让我们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展示了随着时间的推移,这三种模式下程序所做的工作。这个程序有3个任务需要完成,每个任务都在等待I/O操作时阻塞自身。阻塞在I/O操作上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

 

在单线程同步模型中,任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞,其他所有的任务都必须等待,直到它完成之后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。如果任务之间并没有互相依赖的关系,但仍然需要互相等待的话这就使得程序不必要的降低了运行速度。

在多线程版本中,这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操作系统来管理,在多处理器系统上可以并行处理,或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比,这种方式更有效率,但程序员必须写代码来保护共享资源,防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断,因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题,如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

在事件驱动版本的程序中,3个任务交错执行,但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其他昂贵的操作时,注册一个回调到事件循环中,然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件,当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为,因为程序员不需要关心线程安全问题。

当我们面对如下的环境时,事件驱动模型通常是一个好的选择:

  1. 程序中有许多任务,而且…
  2. 任务之间高度独立(因此它们不需要互相通信,或者等待彼此)而且…
  3. 在等待事件到来时,某些任务会阻塞。

当应用程序需要在任务间共享可变的数据时,这也是一个不错的选择,因为这里不需要采用同步处理。

网络应用程序通常都有上述这些特点,这使得它们能够很好的契合事件驱动编程模型。

此处要提出一个问题,就是,上面的事件驱动模型中,只要一遇到IO就注册一个事件,然后主程序就可以继续干其它的事情了,只到io处理完毕后,继续恢复之前中断的任务,这本质上是怎么实现的呢?请参考下一篇:

 

 

 

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