协程,又称微线程,纤程。英文名 Coroutine。
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。
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
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协程--Coroutine
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。
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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。
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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 = consumer()
produce(c)
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注意到consumer函数是一个generator,把一个consumer传入produce后:
1、首先调用c.send(None)启动生成器;
2、然后,一旦生产了东西,通过c.send(n)切换到consumer执行;
3、consumer通过yield拿到消息,处理,又通过yield把结果传回;
4、produce拿到consumer处理的结果,继续生产下一条消息;
5、produce决定不生产了,通过c.close()关闭consumer,整个过程结束。
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。
最后套用Donald Knuth的一句话总结协程的特点:
“子程序就是协程的一种特例。”
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异步IO
CPU的速度远远快于磁盘、网络等IO。
在一个线程中,CPU执行代码的速度极快,然而,一旦遇到IO操作,如读写文件、发送网络数据时,就需要等待IO操作完成,才能继续进行下一步操作。这种情况称为同步IO。
在IO操作的过程中,当前线程被挂起,而其他需要CPU执行的代码就无法被当前线程执行了。
因为一个IO操作就阻塞了当前线程,导致其他代码无法执行,所以我们必须使用多线程或者多进程来并发执行代码,为多个用户服务。每个用户都会分配一个线程,如果遇到IO导致线程被挂起,其他用户的线程不受影响。
多线程和多进程的模型虽然解决了并发问题,但是系统不能无上限地增加线程。由于系统切换线程的开销也很大,所以,一旦线程数量过多,CPU的时间就花在线程切换上了,真正运行代码的时间就少了,结果导致性能严重下降。
由于我们要解决的问题是CPU高速执行能力和IO设备的龟速严重不匹配,多线程和多进程只是解决这一问题的一种方法。
另一种解决IO问题的方法是异步IO。当代码需要执行一个耗时的IO操作时,它只发出IO指令,并不等待IO结果,然后就去执行其他代码了。一段时间后,当IO返回结果时,再通知CPU进行处理。
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异步IO模型需要一个消息循环,在消息循环中,主线程不断地重复“读取消息-处理消息”这一过程:
loop = get_event_loop()
while True:
event = loop.get_event()
process_event(event)
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asyncio是Python 3.4版本引入的标准库,直接内置了对异步IO的支持。
asyncio的编程模型就是一个消息循环。
我们从asyncio模块中直接获取一个EventLoop的引用,然后把需要执行的协程扔到EventLoop中执行,就实现了异步IO。
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# 用asyncio实现Hello world代码如下:
import asyncio
@asyncio.coroutine
def hello():
print('hello world!')
# 异步调用 asyncio.sleep()
r = yield from asyncio.sleep(1)
print('Hello again!')
if __name__!='__main__':
# 获取 EventLoop
loop = asyncio.get_event_loop()
# 执行 coroutine
loop.run_until_complete(hello())
loop.close()
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@asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型,然后,我们就把这个coroutine扔到EventLoop中执行。
hello()会首先打印出Hello world!,然后,yield from语法可以让我们方便地调用另一个generator。
由于asyncio.sleep()也是一个coroutine,所以线程不会等待asyncio.sleep(),而是直接中断并执行下一个消息循环。
当asyncio.sleep()返回时,线程就可以从yield from拿到返回值(此处是None),然后接着执行下一行语句。
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# 用Task封装两个coroutine试试:
import threading
import asyncio
@asyncio.coroutine
def hello2():
print('Hello world! (%s)' % threading.currentThread())
yield from asyncio.sleep(1)
print('Hello again! (%s)' % threading.currentThread())
if __name__ != '__main__':
loop2 = asyncio.get_event_loop()
tasks = [hello2(),hello2()]
loop2.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop2.close()
# 由打印的当前线程名称可以看出,两个coroutine是由同一个线程并发执行的。
# 如果把asyncio.sleep()换成真正的IO操作,则多个coroutine就可以由一个线程并发执行。
# 我们用asyncio的异步网络连接来获取sina、sohu和163的网站首页:
import asyncio
@asyncio.coroutine
def wget(host):
print('wget %s...' % host)
connect = asyncio.open_connection(host,80)
reader, writer = yield from connect
header = 'GET / HTTP/1.0\r\nHost:%s\r\n\r\n' % host
writer.write(header.encode('utf-8'))
yield from writer.drain()
while True:
line = yield from reader.readline()
if line == b'\r\n':
break
print('%s header > %s' % (host, line.decode('utf-8').rstrip()))
if __name__ == '__main__':
loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [wget(host) for host in ['www.sina.com.cn','www.sohu.com','www.163.com']]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()
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asyncio提供了完善的异步IO支持;
异步操作需要在coroutine中通过yield from完成;
多个coroutine可以封装成一组Task然后并发执行。
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async/await
用asyncio提供的@asyncio.coroutine可以把一个generator标记为coroutine类型,然后在coroutine内部用yield from调用另一个coroutine实现异步操作。
为了简化并更好地标识异步IO,从Python 3.5开始引入了新的语法async和await,可以让coroutine的代码更简洁易读。
请注意,async和await是针对coroutine的新语法,要使用新的语法,只需要做两步简单的替换:
1、把@asyncio.coroutine替换为async;
2、把yield from替换为await。
剩下的代码保持不变。
注意新语法只能用在Python 3.5以及后续版本,如果使用3.4版本,则仍需使用上一节的方案。
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import asyncio
@asyncio.coroutine
def hello():
print('Hello World...')
r = yield from asyncio.sleep(1)
print('Hello again...')
# 新语法重新编写如下:
async def hello():
print('Hello World...')
r = await asyncio.sleep(1)
print('Hello again...')