openstack中协程分析

协程

1. 首先说一下什么是协程

协同程序与线程差不多，也就是一条执行序列，拥有自己独立的栈，局部变量和指令指针，同时又与其它协同程序共享全局变量和其它大部分东西。线程与协同程序的主要区别在于，一个具有多线程的程序可以同时运行几个线程，而协同程序却需要彼此协作地运行。就是说，一个具有多个协同程序的程序在任何时刻只能运行一个协同程序，并且正在运行的协同程序只会在其显示地挂起时，它的执行才会暂停。

2. 协程有什么好处呢？

（1）每个coroutine有自己私有的stack及局部变量。

（2）同一时间只有一个coroutine在执行，无需对全局变量加锁。

（3）顺序可控，完全由程序控制执行的顺序。而通常的多线程一旦启动，它的运行时序是没法预测的，因此通常会给测试所有的情况带来困难。所以能用coroutine解决的场合应当优先使用coroutine。

3. eventlet是什么，它用来做什么的？

这是我现阶段的理解：eventlet是一个用来处理和网络相关的python库函数，而且可以通过协程来实现并发，在eventlet里，把“协程”叫做greenthread(绿色线程)。所谓并发，就是开启了多个greenthread，并且对这些greenthread进行管理，以实现非阻塞式的I/O。比如说用eventlet可以很方便的写一个性能很好的web服务器，或者是一个效率很高的网页爬虫，这都归功于eventlet的“绿色线程”，以及对“绿色线程”的管理机制。更让人不可思议的是，eventlet为了实现“绿色线程”，竟然对python的和网络相关的几个标准库函数进行了改写，并且可以以补丁（patch）的方式导入到程序中，因为python的库函数只支持普通的线程，而不支持协程，eventlet称之为“绿化”。

4. 几个主要API的理解

这里可以直接看源码，因为官方的文档也是从源码中的注释得来的。

（1）Greenthread Spawn（spawn，孵化的意思，即如何产生greenthread）

       主要有3个函数可以创建绿色线程：

       1）spawn(func, *args, **kwargs)：

            创建一个绿色线程去运行func这个函数，后面的参数是传递给这个函数的参数。返回值是一个eventlet.GreenThread对象，这个对象可以用来接受func函数运行的返回值。在绿色线程池还没有满的情况下，这个绿色线程一被创建就立刻被执行。其实，用这种方法去创建线程也是可以理解的，线程被创建出来，肯定是有一定的任务要去执行，这里直接把函数当作参数传递进去，去执行一定的任务，就好像标准库中的线程用run()方法去执行任务一样。

      2）spawn_n(func, *args, **kwargs)：

           这个函数和spawn()类似，不同的就是它没有返回值，因而更加高效，这种特性，使它也有存在的价值。

      3）spawn_after(seconds, func, *args, **kwargs)

           这个函数和spawn()基本上一样，都有一样的返回值，不同的是它可以限定在什么时候执行这个绿色线程，即在seconds秒之后，启动这个绿色线程。

（2）Greenthread Control

      1）sleep(seconds=0)

           中止当前的绿色线程，以允许其它的绿色线程执行。

      2）eventlet.GreenPool

           这是一个类，在这个类中用set集合来容纳所创建的绿色线程，并且可以指定容纳线程的最大数量（默认是1000个），它的内部是用Semaphore和Event这两个类来对池进行控制的，这样就构成了线程池。其中，有几个比较重要的方法：

           running(self)：返回当前池中的绿色线程数

           free()：返回当前池中仍可容纳的绿色线程数

           spawn()、spawn_n()：创建新的绿色线程

           starmap(self, function, iterable)和imap(self, function, *iterables)：

            这两个函数和标准的库函数中的这两个函数实现的功能是一样的，所不同的是这里将这两个函数的执行放到了绿色线程中。前者实现的是从iterable中取出每一项作为function的参数来执行，后者则是分别从iterables中各取一项，作为function的参数去执行。

            如：imap(pow, (2,3,10), (5,2,3)) --> 32 9 1000

        starmap(pow, [(2,5), (3,2), (10,3)]) --> 32 9 1000

      3）eventlet.GreenPile

            这也是一个类，而且是一个很有用的类，在它内部维护了一个GreenPool对象和一个Queue对象。这个GreenPool对象可以是从外部传递进来的，也可以是在类内部创建的，GreenPool对象主要是用来创建绿色线程的，即在GreenPile内部调用了GreenPool.spawn()方法。而Queue对象则是用来保存spawn()方法的返回值的，即Queue中保存的是GreenThread对象。并且它还实现了next()方法，也就意味着GreenPile对象具有了迭代器的性质。所以如果我们要对绿色线程的返回值进行操作的话，用这个类是再好不过的了。

      4）eventlet.Queue

     说到队列就不得不画个类图了，基类是LightQueue，它实现了大部分的队列的常用方法。它是用collections做为实现队列的基本数据结构的。而且这个LightQueue的实现，不单单实现了存取操作，我觉得在本质上它实现了一个生产者和消费者问题，定义了两个set()类型的成员变量putters和getters，前者用来存放在队列满时，被阻塞的绿色线程，后者用来存放当队列空时，被阻塞的绿色线程。类中的putting()和getting()方法就是分别得到被阻塞的绿色线程的数量。

     Queue继承了LightQueue，并且又增加了它自己的两个方法：task_done()和join()。task_done()是被消费者的绿色线程所调用的，表示在这个项上的所有工作都做完了，join()是阻塞，直到队列中所有的任务都完成。LifoQueue和PriorityQueue是存放数据的两种不同的方式。

           

（3）Patching Functions（补丁方法）

      这里就是之前所说的“绿化”，经过eventlet“绿化”过的模块都在eventlet.green中，导入他们主要有两种方法：

      1)  from eventlet.green import ...  +  import_patched(module_name,*additional_modules,**kw_additional_modules)，如：

 from eventlet.green import socket
 from eventlet.green import SocketServer
 BaseHTTPServer = eventlet.import_patched('BaseHTTPServer',
                         ('socket', socket),
                         ('SocketServer', SocketServer))
 BaseHTTPServer = eventlet.import_patched('BaseHTTPServer',
                         socket=socket, SocketServer=SocketServer)

           这种方法有个缺陷就是不支持“延迟绑定”(late binding)，比如在运行时导入模块。

      2）monkey_patch(all=True,os=None, select=None, socket=None,thread=None,time=None,psycopg=None)，如：

 import eventlet
 eventlet.monkey_patch(socket=True, select=True)

           不知道老外是怎么想的，竟然叫做monkey，这个monkey是作何解呢？可能是因为它导入模块是零星导入的吧，就好像猴挠一样。这种方法就没有上面所说的那个“延迟绑定”的缺陷，想什么时候导入就什么时候导入，just like monkey !

（4）Network Convenience Functions（和网络相关的函数）

     这些函数定义在convenience.py文件中，对和socket相关的网络通信进行了包装，注意，这里用的socket是经过修改后的socket，以使它使用绿色线程，主要有以下一个函数：

      1）connect(addr, family=socket.AF_INET, bind=None)

            主要执行了以下几个步骤：新建了一个TCP类型的socket，绑定本地的ip和端口，和远程的地址进行连接，源码如下：

 def connect(addr, family=socket.AF_INET, bind=None):
     sock = socket.socket(family, socket.SOCK_STREAM)
     if bind is not None:
         sock.bind(bind)
     sock.connect(addr)
     return sock

      2）listen(addr, family=socket.AF_INET, backlog=50)

            过程和connect()类似，只是把connect()换成了listen()，backlog指定了最大的连接数量，源码如下：

 def listen(addr, family=socket.AF_INET, backlog=50):
     sock = socket.socket(family, socket.SOCK_STREAM)
     if sys.platform[:3]=="win":
         sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)  #这段不知道具体是做什么的
     sock.bind(addr)
     sock.listen(backlog)
     return sock

      3）serve(sock, handle, concurrency=1000)

            这个函数直接创建了一个socket服务器，在它内部创建了一个GreenPool对象，默认的最大绿色线程数是1000，然后是一个循环来接受连接，源码如下：

 def serve(sock, handle, concurrency=1000):
     pool = greenpool.GreenPool(concurrency)
     server_gt = greenthread.getcurrent()

     while True:
         try:
             conn, addr = sock.accept()
             gt = pool.spawn(handle, conn, addr)
             gt.link(_stop_checker, server_gt, conn)
             conn, addr, gt = None, None, None
         except StopServe:
             return

      4）wrap_ssl(sock, *a, **kw)

           给socket加上ssl(安全套接层)，对数据进行加密。

还有几个比较重要的API这里就不罗列了，等以后用到了再进行分析吧，下面看几个官方的例子：

5. 举例：

有了上面的基础知识，官方的例子就比较容易理解了。

（1）官方上引以为傲的“网页爬虫”，用到了绿色线程池和imap()函数

 urls = ["http://www.google.com/intl/en_ALL/images/logo.gif",
      "https://wiki.secondlife.com/w/images/secondlife.jpg",
      "http://us.i1.yimg.com/us.yimg.com/i/ww/beta/y3.gif"]

 import eventlet
 from eventlet.green import urllib2

 def fetch(url):
   print "opening", url
   body = urllib2.urlopen(url).read()
   print "done with", url
   return url, body

 pool = eventlet.GreenPool(200)
 for url, body in pool.imap(fetch, urls):
   print "got body from", url, "of length", len(body)

（2）socket服务器

 import eventlet

 def handle(fd):
     print "client connected"
     while True:
         # pass through every non-eof line
         x = fd.readline()
         if not x: break
         fd.write(x)
         fd.flush()
         print "echoed", x,
     print "client disconnected"

 print "server socket listening on port 6000"
 server = eventlet.listen(('0.0.0.0', 6000))
 pool = eventlet.GreenPool()
 while True:
     try:
         new_sock, address = server.accept()
         print "accepted", address
         pool.spawn_n(handle, new_sock.makefile('rw'))
     except (SystemExit, KeyboardInterrupt):
         break

（3）使用GreenPile的例子

 import eventlet
 from eventlet.green import socket

 def geturl(url):
     c = socket.socket()
     ip = socket.gethostbyname(url)
     c.connect((ip, 80))
     print '%s connected' % url
     c.sendall('GET /\r\n\r\n')
     return c.recv(1024)

 urls = ['www.google.com', 'www.yandex.ru', 'www.python.org']
 pile = eventlet.GreenPile()
 for x in urls:
     pile.spawn(geturl, x)

 # note that the pile acts as a collection of return values from the functions
 # if any exceptions are raised by the function they'll get raised here
 for url, result in zip(urls, pile):
     print '%s: %s' % (url, repr(result)[:50])