并发编程——协程

一、引子

基于单线程来实现并发，即只用一个主线程（可利用的cpu只有一个）情况下实现并发（并发的本质：切换+保存状态）该怎么搞。

cpu正在运行一个任务，会在两种情况下切走去执行其他的任务（切换由操作系统强制控制），一种情况是该任务发生了阻塞，另外一种情况是该任务计算的时间过长或有一个优先级更高的程序替代了它。

在介绍进程理论时，提及进程的三种执行状态，而线程才是执行单位，所以也可以将上图理解为线程的三种状态。

第一种情况的切换。在任务一遇到io情况下，切到任务二去执行，这样就可以利用任务一阻塞的时间完成任务二的计算，效率的提升就在于此。

第二种情况的切换并不能提升效率，只是为了让cpu能够雨露均沾，实现看起来所有任务都被“同时”执行的效果，如果多个任务都是纯计算的，这种切换反而会降低效率。

为此我们可以基于yield来验证，yield本身就是一种在单线程下可以保存任务运行状态的方法，我们来简单复习一下：

1 yiled可以保存状态，yield的状态保存与操作系统的保存线程状态很像，但是yield是代码级别控制的，更轻量级
2 send可以把一个函数的结果传给另外一个函数，以此实现单线程内程序之间的切换

串行执行

import time


def consumer(res):
    """接收数据，处理数据。"""
    print(len(res))
    time.sleep(1)


def producer():
    """生产数据"""
    res = [i for i in range(100000000)]
    return res


if __name__ == '__main__':
    start = time.time()
    result = producer()
    consumer(result)
    stop = time.time()
    print("Time = ", stop - start)

输出结果为：

100000000
Time =  10.884085655212402

基于yield并发执行

import time


def consumer():
    """接收数据，处理数据。"""
    res = []
    while True:
        x = yield
        res.append(x)


def producer():
    """生产数据"""
    con = consumer()
    next(con)
    for i in range(100000000):
        con.send(i)


if __name__ == '__main__':
    start = time.time()
    producer()
    stop = time.time()
    print("Time = ", stop - start)

输出结果为：

Time =  22.830885410308838

二、协程介绍

协程：是单线程下的并发，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，即协程是由用户程序自己控制调度的。

需要强调的是：

1. python的线程属于内核级别的，即由操作系统控制调度（如单线程遇到io或执行时间过长就会被迫交出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，就会从应用程序级别（而非操作系统）控制切换，以此来提升效率（！！！非io操作的切换与效率无关）

对比操作系统控制线程的切换，用户在单线程内控制协程的切换：

优点如下：

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

缺点如下：

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

总结协程特点：

必须在只有一个单线程里实现并发

修改共享数据不需加锁

用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈

三、gevent模块

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。

gevent属于第三方模块，需要使用pip安装：

pip install gevent

import time
import gevent
import threading
from gevent import monkey


monkey.patch_all()


def eat(name):
    print(name, " is eating on", threading.currentThread().getName())
    time.sleep(2)
    print(name, " is eating done on", threading.currentThread().getName())


def play(name):
    print(name, " is playing on", threading.currentThread().getName())
    gevent.sleep(3)
    print(name, " is playing done on", threading.currentThread().getName())


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    event_1 = gevent.spawn(eat, "Alex")
    event_2 = gevent.spawn(play, "Coco")
    gevent.joinall([event_1, event_2])
    stop_time = time.time()
    print("Time = ", stop_time - start_time)

输出结果为：

Alex  is eating on DummyThread-1
Coco  is playing on DummyThread-2
Alex  is eating done on DummyThread-1
Coco  is playing done on DummyThread-2
Time =  3.0120625495910645

DummyThread表示假线程。