协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。用户态执行多线程。

协程的概念很早就提出来了，但直到最近几年才在某些语言（如Lua，不只是Python实现了）中得到广泛应用。

一、什么是协程

在多线程的模型中，操作系统会根据某种调度算法不断地切换当前正在运行的线程，由于每个线程都有自己的栈，因此在切换线程的过程中需要上下文的切换，这样会导致大量的开销，导致性能的下降。协程就是用来解决这个问题的（当然还有其他优点）。

协程是python中另外一种实现多任务的方式，不过比线程更小占用更小执行单元（理解为需要的资源）。 为啥说它是一个执行单元，因为它自带CPU上下文。(协程运行在同一个线程上，没有上下文的切换。同样的，携程不能利用多核资源。)

协程可以有多个入口点，可以在指定的位置挂起和回复执行（线程只有一个入口点且只返回一次）这样只要在合适的时机， 我们可以把一个协程切换到另一个协程。 只要这个过程中保存或恢复 CPU上下文那么程序还是可以运行的。

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，然后执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。

通俗的理解：在一个线程中的某个函数，可以在任何地方保存当前函数的一些临时变量等信息，然后切换到另外一个函数中执行，注意不是通过调用函数的方式做到的，并且切换的次数以及什么时候再切换到原来的函数都由开发者自己确定。

 

 

二、协程和线程差异

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（协程的切换只是单纯的操作CPU的上下文，所以一秒钟切换个上百万次系统都抗的住。而线程切换从系统层面远不止保存和恢复 CPU上下文这么简单。 操作系统为了程序运行的高效性每个线程都有自己缓存Cache等等数据，操作系统还会帮你做这些数据的恢复操作。 所以线程的切换非常耗性能。）。
• 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对协程的支持还非常有限，用在generator中的yield可以一定程度上实现协程。虽然支持不完全，但已经可以发挥相当大的威力了。

 

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：

import time

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    c.next()
    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()

if __name__=='__main__':
    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

注意到consumer函数是一个generator（生成器），把一个consumer传入produce后：

1. 首先调用c.next()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。”

 

简单的协程实现：

import time

def work1():
    while True:
        print("----work1---")
        yield  # 让出 CPU
        time.sleep(0.5)

def work2():
    while True:
        print("----work2---")
        yield  # 让出 CPU
        time.sleep(0.5)

def main():
    w1 = work1()
    w2 = work2()
    while True:
        next(w1)
        next(w2)

if __name__ == "__main__":
    main()

运行结果：

----work1---
----work2---
----work1---
----work2---
----work1---
----work2---
----work1---
----work2---
----work1---
----work2---
----work1---
----work2---
...省略...

 

三、greenlet

为了更好使用协程来完成多任务，python中的greenlet模块对其封装，从而使得切换任务变的更加简单

安装方式:

sudo pip3 install greenlet

栗子：

#coding=utf-8

from greenlet import greenlet
import time

def test1():
    while True:
        print "---A--"
        gr2.switch()
        time.sleep(0.5)

def test2():
    while True:
        print "---B--"
        gr1.switch()
        time.sleep(0.5)

gr1 = greenlet(test1)
gr2 = greenlet(test2)

#切换到gr1中运行
gr1.switch()


运行效果：

---A--
---B--
---A--
---B--
---A--
---B--
---A--
---B--
...省略...

 

四、gevent

greenlet已经实现了协程，但是这个还的人工切换，是不是觉得太麻烦了，不要捉急，python还有一个比greenlet更强大的并且能够自动切换任务的模块gevent

其原理是当一个greenlet遇到IO(指的是input output 输入输出，比如网络、文件操作等)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

安装

pip3 install gevent

4.1gevent的使用

栗子：

import gevent

def f(n):
    for i in range(n):
        print(gevent.getcurrent(), i)

g1 = gevent.spawn(f, 5)
g2 = gevent.spawn(f, 5)
g3 = gevent.spawn(f, 5)
g1.join()
g2.join()
g3.join()

result:
 0
 1
 2
 3
 4   
 0
 1
 2
 3
 4
 0
 1
 2
 3
 4
#3个greenlet是依次运行而不是交替运行

4.2gevent的切换执行

import gevent

def f(n):
    for i in range(n):
        print(gevent.getcurrent(), i)
        #用来模拟一个耗时操作，注意不是time模块中的sleep
        gevent.sleep(1)

g1 = gevent.spawn(f, 5)
g2 = gevent.spawn(f, 5)
g3 = gevent.spawn(f, 5)
g1.join()
g2.join()
g3.join()


result
 0
 0
 0
 1
 1
 1
 2
 2
 2
 3
 3
 3
 4
 4
 4

4.3给程序打补丁：

栗子1：

from gevent import monkey
import gevent
import random
import time

def coroutine_work(coroutine_name):
    for i in range(10):
        print(coroutine_name, i)
        time.sleep(random.random())

gevent.joinall([
        gevent.spawn(coroutine_work, "work1"),
        gevent.spawn(coroutine_work, "work2")
])

运行结果

work1 0
work1 1
work1 2
work1 3
work1 4
work1 5
work1 6
work1 7
work1 8
work1 9
work2 0
work2 1
work2 2
work2 3
work2 4
work2 5
work2 6
work2 7
work2 8
work2 9

栗子2：

from gevent import monkey
import gevent
import random
import time

# 有耗时操作时需要
monkey.patch_all()  # 将程序中用到的耗时操作的代码，换为gevent中自己实现的模块

def coroutine_work(coroutine_name):
    for i in range(10):
        print(coroutine_name, i)
        time.sleep(random.random())

gevent.joinall([
        gevent.spawn(coroutine_work, "work1"),
        gevent.spawn(coroutine_work, "work2")
])

运行结果

work1 0
work2 0
work1 1
work1 2
work1 3
work2 1
work1 4
work2 2
work1 5
work2 3
work1 6
work1 7
work1 8
work2 4
work2 5
work1 9
work2 6
work2 7
work2 8
work2 9