《python并发之协程》
一:
单线程下实现并发,即只在一个主线程,并且cpu只有一个的情况下实现并发。(并发的本质:切换+保存状态)
cpu正在运行一个任务,会在两种情况下切去执行其他的任务(切换由操作系统强制控制),一种情况是该任务发生了阻塞,第二种情况是该任务计算时间过长。
主线程的三种状态:
其中第二种情况并不能提升效率,只是为了让cpu能够雨露均沾,实现看起来大家都被执行的效果,如果多个程序都是纯计算任务,这种切换反而会降低效率。
为此我们基于yield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。
yiled:
1:可以保存状态,yiled的状态保存与操作系统的保存线程的状态很像,但是yiled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): print('任务1:接收数据,处理数据') def producer(): print('任务2:产生数据') res = [] for i in range(10000000): res.append(i) return res start = time.time() #串行执行 res= producer() consumer(res) stop = time.time() print(stop-start) #基于yield并发执行 # import time # def consumer(): # # print('任务1:接收数据,处理数据') # while True: # x = yield # def producer(): # # print('任务2:生产数据') # g = consumer() # next(g) # for i in range(10000000):#2.691828966140747 # g.send(i) # start = time.time() #基于yiled保存状态,实现两个任务直接来回切换,即并发的效果 #ps:如果每个任务中都加上打印,那么明显地看到两个任务是你一次我一次,即并发执行 # producer() # stop = time.time() # print(stop-start)
而在单线程下,我们不可避免程序中出现io操作,但如果我们能在自己的程序中(即用户程序级别,而非操作系统级别)控制单线程下多个任务能遇到io就切换,这样保证了该线程能够最大限度地处于就绪态,即随时都可以被cpu执行的状态,相当于我们在用户程序级别将io操作最大限度地隐藏起来,该线程好像是一直处于计算过程,io比较少。
协成的本质就是在单线程下,由用户自己控制一个任务遇到io阻塞了就切换另外一个任务去执行,以此来提升效率。
1:可以控制多个任务之间的切换,切换之前将任务的状态保存下来(重新运行时,可以基于暂停的位置继续)
2:作为1的补充:可以检测io操作,在遇到io操作的情况下发生切换。
二:协称介绍(Coroutine)
协程:是单线程下的并发,又称微线程,纤程。
协程是一种用户态的轻量级线程(是由用户程序自己控制调度的)
强调:
1:python的线程属于内核级别的,即由操作系统控制调度(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,就会应用程序级别(而非操作系统)控制切换,以此提升效率(非io操作的切换方式与效率无关)
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:
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:
1:协程的本质就是单线程下,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,将会阻塞整个协程。
协程的特点:
1:必须在只有一个单线程里实现并发。
2:修改共享数据不需要加锁
3:用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈。
4:一个协程遇到io操作自动切换到其他协程(如何实现检测io,yiled,greenlet都无法实现,就用到了geven模块(select机制))
三:Greenlet
如果我们在单个线程内有20个任务,每个任务的代码分两部分:前半部分是纯计算,后半部分是纯io。
要想实现在多个任务之间切换,yield生成器的方式,需要先得到初始化一次的生成器,然后再调用send。。。非常麻烦,使用greenlet模块可以非常简单地实现这20个任务直接的切换
rom greenlet import greenlet import time def eat(name): print('%s eat 1'%name) time.sleep(3) g2.switch('悟空') print('%s eat 2'%name) g2.switch() def play(name): print('%s play 1'%name) g1.switch() print('%s play 2'%name) g1 = greenlet(eat) g2 = greenlet(play) g1.switch('悟空')#可以在第一次swith时传入参数,以后都不需要
--------------------------结果----------------------------------------
悟空 eat 1
悟空 play 1
悟空 eat 2
悟空 play 2
单纯的切换(在没有io的情况下或者没有开辟内存空间的操作),反而会降低程序的执行速度
import time def f1(): res = 1 for i in range(100000000): res+=1 def f2(): res = 1 for i in range(100000000): res*=i start = time.time() f1() f2() stop = time.time() print('run time is %s'%(stop-start))#run time is 23.827917337417603 # from greenlet import greenlet # import time # def f1(): # res = 1 # for i in range(100000000): # res+=i # g2.switch() # def f2(): # res = 1 # for i in range(100000000): # res*=i # g1.switch() # start = time.time() # g1 = greenlet(f1) # g2 = greenlet(f2) # g1.switch() # stop = time.time() # print('run time is %s'%(stop-start))#158.59044671058655
greenlet只是提供了一种比generator更加便捷的切换方式,当切到一个任务执行时遇到阻塞io,那就原地阻塞,仍然是没有解决遇到io自动切换来提升效率的问题。
四:Gevent
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,但他们被称作协作式的调度)
用法:
g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)创建一个协程对象g1,spawn括号内第一个参数是函数名,如eat,后面可以有多个参数,可以是位置实参或关键字实参,都是传给函数eat的 g2=gevent.spawn(func2) g1.join() #等待g1结束 g2.join() #等待g2结束 #或者上述两步合作一步:gevent.joinall([g1,g2]) g1.value#拿到func1的返回值
遇到IO阻塞时会自动切换任务:
import gevent def eat(name): print('%s eat 1'%name) gevent.sleep(2) print('%s eat 2'%name) def play(name): print('%s play 1'%name) gevent.sleep(3) print('%s play 2'%name) g1 = gevent.spawn(eat,'悟空') g2= gevent.spawn(play,name='悟空') g1.join() g2.join() #gevent.joinal([g1,g2]) print('主')
--------------------------------------结果-----------------------------------
悟空 eat 1
悟空 play 1
悟空 eat 2
悟空 play 2
主
上例gevent.sleep(2)模拟的是gevent可以识别的io阻塞,
而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接识别的需要用下面一行代码,打补丁,就可以识别了
from gevent import monkey;monkey.patch_all()必须放到被打补丁者的前面,如time,socket模块之前
或者我们干脆记忆成:要用gevent,需要将from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的开头
from gevent import monkey;monkey.patch_all() import gevent import time def eat(): print('eat food 1') time.sleep(2) print('eat food 2') def play(): print('play 1') time.sleep(1) print('play 2') g1 = gevent.spawn(eat) g2 = gevent.spawn(play) gevent.joinall([g1,g2]) print('主')
------------------------------------结果----------------------------
at food 1
play 1
play 2
eat food 2
主
五:Gevent之同步异步
from gevent import spawn,joinall,monkey;monkey.patch_all() import time def task(pid): #一些不确定的任务 time.sleep(0.5) print('Task %s done'%pid) def synchronuns(): for i in range(10): task(i) def asynchronuns(): g_l = [spawn(task,i) for i in range(10)] joinall(g_l) if __name__ == '__main__': print('Synchronous') synchronuns() print('A') asynchronuns()
#上面程序的重要部分是将task函数封装到Greenlet内部线程的gevent.spawn。
# 初始化的greenlet列表存放在数组threads中,此数组被传给gevent.joinall 函数,
# 后者阻塞当前流程,并执行所有给定的greenlet。执行流程只会在 所有greenlet执行完后才
# 会继续向下走。
------------------------------结果-----------------------------------------------
Synchronous
Task 0 done
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
A
Task 0 done
Task 9 done
Task 8 done
Task 7 done
Task 6 done
Task 5 done
Task 4 done
Task 3 done
Task 2 done
Task 1 done
六:Gevent应用举例一
通过gevent实现单线程下的socket并发(from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到导入socket模块之前,否则gevent无法识别socket的阻塞)
服务端
from gevent import monkey;monkey.patch_all() from socket import * import gevent #如果不想用money.patch_all()打补丁,可以用gevent自带的socket # from gevent import socket # s=socket.socket() def server(server_ip,port): s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) s.bind((server_ip,port)) s.listen(5) while True: conn,addr=s.accept() gevent.spawn(talk,conn,addr) def talk(conn,addr): try: while True: res=conn.recv(1024) print('client %s:%s msg: %s' %(addr[0],addr[1],res)) conn.send(res.upper()) except Exception as e: print(e) finally: conn.close() if __name__ == '__main__': server('127.0.0.1',8080)
客户端
from socket import * client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) client.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue client.send(msg.encode('utf-8')) msg=client.recv(1024) print(msg.decode('utf-8'))
多线程并发多个客户端
from threading import Thread from socket import * import threading def client(server_ip,port): c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #套接字对象一定要加到函数内,即局部名称空间内,放在函数外则被所有线程共享,则大家公用一个套接字对象,那么客户端端口永远一样了 c.connect((server_ip,port)) count=0 while True: c.send(('%s say hello %s' %(threading.current_thread().getName(),count)).encode('utf-8')) msg=c.recv(1024) print(msg.decode('utf-8')) count+=1 if __name__ == '__main__': for i in range(500): t=Thread(target=client,args=('127.0.0.1',8080)) t.start()