【LemonCK】Python协程并发的优缺点

协程

协程是一种用户态的轻量级线程，又称微线程。

协程拥有自己的寄存器上下文和栈，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。

优点：

1.无需线程上下文切换的开销
2.无需原子操作锁定及同步的开销
3.方便切换控制流，简化编程模型
4.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。

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。

缺点：

1.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。
2.进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

使用gevent

gevent是python的一个并发框架,以微线程greenlet为核心，使用了epoll事件监听机制以及诸多其他优化而变得高效。

简单示例

gevent的sleep可以交出控制权，当我们在受限于网络或IO的函数中使用gevent，这些函数会被协作式的调度， gevent的真正能力会得到发挥。

gevent处理了所有的细节， 来保证你的网络库会在可能的时候，隐式交出greenlet上下文的执行权。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@File:CoroutineDemo3.py    
@E-mail:364942727@qq.com
@Time:2020/10/1 10:24 下午 
@Author:Charseki  
@Version:1.0   
@Desciption:协程二（gevent模块）
"""

"""
协程gevent模块
协程存在于线程之中，线程默认不会等待协程执行

spawn:开启协程（第一个参数：协程要执行的任务）
join:让线程等待协程执行

协程之间切换的条件：
gevent.sleep():耗时等待的情况下才会切换

gevent的程序补丁:
gevent.monkey.patch_all()  # 导入这个后，就可以不需要用gevent.sleep()了，只要是耗时，就能切换任务。

首先考虑:协程 > 线程 > 进程

"""

import gevent
import time
# from gevent import monkey

# gevent.monkey.patch_all()


def task_1():
    for i in range(10):
        print("--This is task 1!--执行次数：{}".format(i))
        # time.sleep(0.01)
        gevent.sleep(0.3)


def task_2():
    for i in range(10):
        print("--This is task 2!--执行次数：{}".format(i))
        # time.sleep(0.01)
        gevent.sleep(0.3)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个协程
    g1 = gevent.spawn(task_1)
    g2 = gevent.spawn(task_2)
    g1.join()
    g2.join()

执行结果：

--This is task 1!--执行次数：0
--This is task 2!--执行次数：0
--This is task 1!--执行次数：1
--This is task 2!--执行次数：1
--This is task 1!--执行次数：2
--This is task 2!--执行次数：2
--This is task 1!--执行次数：3
--This is task 2!--执行次数：3
--This is task 1!--执行次数：4
--This is task 2!--执行次数：4
--This is task 1!--执行次数：5
--This is task 2!--执行次数：5
--This is task 1!--执行次数：6
--This is task 2!--执行次数：6
--This is task 1!--执行次数：7
--This is task 2!--执行次数：7
--This is task 1!--执行次数：8
--This is task 2!--执行次数：8
--This is task 1!--执行次数：9
--This is task 2!--执行次数：9

同步异步

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@File:CoroutineDemo4.py    
@E-mail:364942727@qq.com
@Time:2020/10/2 1:11 上午 
@Author:Charseki  
@Version:1.0   
@Desciption:协程-同步异步
"""

import random
import gevent


def task(pid):
    gevent.sleep(random.randint(0, 2) * 0.001)
    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)


if __name__ == '__main__':
    print('Synchronous:')
    synchronous()
    print('Asynchronous:')
    asynchronous()

执行结果：

Synchronous:
Task 1 done
Task 2 done
Task 3 done
Task 4 done
Task 5 done
Task 6 done
Task 7 done
Task 8 done
Task 9 done
Asynchronous:
Task 5 done
Task 9 done
Task 1 done
Task 2 done
Task 3 done
Task 4 done
Task 6 done
Task 0 done
Task 7 done
Task 8 done

以子类的方法使用协程

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@File:CoroutineDemo4.py    
@E-mail:364942727@qq.com
@Time:2020/10/2 1:11 上午 
@Author:Charseki  
@Version:1.0   
@Desciption:协程-子类化Greenlet类，重载它的_run方法
"""

import gevent
from gevent import Greenlet


class Test(Greenlet):
    """可以子类化Greenlet类，重载它的_run方法，类似多线线程和多进程模块"""

    def __init__(self, message, n):
        Greenlet.__init__(self)
        self.message = message
        self.n = n

    def _run(self):
        print(self.message, 'start')
        gevent.sleep(self.n)
        print(self.message, 'end')


tests = [
    Test("hello", 3),
    Test("world", 2),
]
for test in tests:
    test.start()  # 启动
for test in tests:
    test.join()  # 等待执行结束

使用monkey patch修改系统标准库(自动切换协程)

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。

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

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@File:CoroutineDemo4.py    
@E-mail:364942727@qq.com
@Time:2020/10/2 1:11 上午 
@Author:Charseki  
@Version:1.0   
@Desciption:协程-monkey patch自动切换协程
"""

import gevent
import requests
from gevent import monkey

monkey.patch_socket()


def task(url):
    r = requests.get(url)
    print('%s bytes received from %s' % (len(r.text), url))


if __name__ == '__main__':
    for i in range(3):
        gevent.joinall([
            gevent.spawn(task, 'https://www.baidu.com/'),
            gevent.spawn(task, 'https://www.qq.com/'),
            gevent.spawn(task, 'https://www.jd.com/'),
        ])

执行结果：

107822 bytes received from https://www.jd.com/
2443 bytes received from https://www.baidu.com/
99692 bytes received from https://www.qq.com/
2443 bytes received from https://www.baidu.com/
107822 bytes received from https://www.jd.com/
99692 bytes received from https://www.qq.com/
107822 bytes received from https://www.jd.com/
2443 bytes received from https://www.baidu.com/
99692 bytes received from https://www.qq.com/

Process finished with exit code 0

可以看出3个网络操作是并发执行的，而且结束顺序不同。