gevent是目前应用非常广泛的网络库，高效的轮询IO库libev加上greenlet实现的协程（coroutine），使得gevent的性能非常出色，尤其是在web应用中。本文介绍gevent的调度流程，主要包括gevent对greenlet的封装和使用，以及greenlet与libev的协作。阅读本文需要对greenlet有一定的认识，可以参考这篇文章，另外，本文分析的gevent版本为1.2，可以通过gevent.version_info查看版本号。
gevent简介：
gevent来源于eventlet，自称比后者实现更简单、API更方便且性能更好，许多开源的web服务器也使用了gevent，如gunicorn、paste，当然gevent本生也可以作为一个python web服务器使用。这篇文章对常见的wsgi server进行性能对比，gevent不管在http1.0还是http1.1都表现非常出色。下图是目前常用的http1.1标准下的表现：
gevent高效的秘诀就是greenlet和libev啦，greenlet在之前的博文有介绍，gevent对greenlet的使用比较限制，只能在两层协程之间切换，简单也不容易出错。libev使用轮训非阻塞的方式进行事件处理，比如unix下的epoll。早期gevent使用libevent，后来替换成libev，因为libev“提供更少的核心功能以求更改的效率”，这里有libev和libevent的性能对比：
greenlet回顾：
如果想了解gevent的调度流程，最重要的是对greenlet有基本的了解。下面总结一些个人认为比较重要的点：
- 每一个greenlet.greenlet实例都有一个parent（可指定，默认为创生新的greenlet.greenlet所在环境），当greenlet.greenlet实例执行完逻辑正常结束、或者抛出异常结束时，执行逻辑切回到其parent
- 可以继承greenlet.greenlet，子类需要实现run方法，当调用greenlet.switch方法时会调用到这个run方法
在gevent中，有两个类继承了greenlet.greenlet，分别是gevent.hub.Hub和gevent.greenlet.Greenlet。后文中，如果是greenlet.greenlet这种写法，那么指的是原生的类库greentlet，如果是greenlet（或者Greenlet）那么指gevent封装后的greenlet。
greenlet调度流程：
首先，给出总结性的结论，后面再结合实例和源码一步步分析。
每个gevent线程都有一个hub，前面提到hub是greenlet.greenlet的实例。hub实例在需要的时候创生（Lazy Created），那么其parent是main greenlet。之后任何的Greenlet（注意是greenlet.greenlet的子类）实例的parent都设置成hub。hub调用libev提供的事件循环来处理Greenlet代表的任务，当Greenlet实例结束（正常或者异常）之后，执行逻辑又切换到hub。
gevent调度示例1：
我们看下面最简单的代码：
>>> import gevent
>>> gevent.sleep(1)
>>>
上面的代码很简单，但事实上gevent的核心都包含在其中，接下来结合源码进行分析。
首先看sleep函数（gevent.hub.sleep）：
1 def sleep(seconds=0, ref=True): 2 hub = get_hub() 3 loop = hub.loop 4 if seconds <= 0: 5 waiter = Waiter() 6 loop.run_callback(waiter.switch) 7 waiter.get() 8 else: 9 hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))
首先是获取hub（第2行），然后在hub上wait这个定时器事件（第9行）。get_hub源码如下（gevent.hub.get_hub）：
1 def get_hub(*args, **kwargs): 2 """ 3 Return the hub for the current thread. 4 5 """ 6 hub = _threadlocal.hub 7 if hub is None: 8 hubtype = get_hub_class() 9 hub = _threadlocal.hub = hubtype(*args, **kwargs) 10 return hub
可以看到，hub是线程内唯一的，之前也提到过greenlet是线程独立的，每个线程有各自的greenlet栈。hubtype默认就是gevent.hub.Hub，在hub的初始化函数(__init__)中，会创建loop属性，默认也就是libev的python封装。
回到sleep函数定义，hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))。hub.wait函数非常关键，对于任何阻塞性操作，比如timer、io都会调用这个函数，其作用一句话概括：从当前协程切换到hub，直到watcher对应的事件就绪再从hub切换回来。wait函数源码如下（gevent.hub.Hub.wait）：
1 def wait(self, watcher): 2 """ 3 Wait until the *watcher* (which should not be started) is ready. 4 5 """ 6 waiter = Waiter() 7 unique = object() 8 watcher.start(waiter.switch, unique) 9 try: 10 result = waiter.get() 11 if result is not unique: 12 raise InvalidSwitchError('Invalid switch into %s: %r (expected %r)' % (getcurrent(), result, unique)) 13 finally: 14 watcher.stop()
形参watcher就是loop.timer实例，其cython描述在corecext.pyx，我们简单理解成是一个定时器事件就行了。上面的代码中，创建了一个Waiter（gevent.hub.Waiter）对象，这个对象起什么作用呢，这个类的doc写得非常清楚
Waiter.__doc__
A low level communication utility for greenlets.
Waiter is a wrapper around greenlet's ``switch()`` and ``throw()`` calls that makes them somewhat safer:
* switching will occur only if the waiting greenlet is executing :meth:`get` method currently;
* any error raised in the greenlet is handled inside :meth:`switch` and :meth:`throw`
* if :meth:`switch`/:meth:`throw` is called before the receiver calls :meth:`get`, then :class:`Waiter`
will store the value/exception. The following :meth:`get` will return the value/raise the exception
简而言之，是对greenlet.greenlet类switch 和 throw函数的分装，用来存储返回值greenlet的返回值或者捕获在greenlet中抛出的异常。我们知道，在原生的greenlet中，如果一个greenlet抛出了异常，那么该异常将会展开至其parent greenlet。
回到Hub.wait函数，第8行 watcher.start(waiter.switch, unique) 注册了一个回调，在一定时间（1s）之后调用回调函数waiter.switch。注意，waiter.switch此时并没有执行。然后第10行调用waiter.get。看看这个get函数（gevent.hub.Waiter.get）：
1 def get(self): 2 """If a value/an exception is stored, return/raise it. Otherwise until switch() or throw() is called.""" 3 if self._exception is not _NONE: 4 if self._exception is None: 5 return self.value 6 else: 7 getcurrent().throw(*self._exception) 8 else: 9 if self.greenlet is not None: 10 raise ConcurrentObjectUseError('This Waiter is already used by %r' % (self.greenlet, )) 11 self.greenlet = getcurrent() # 存储当前协程，之后从hub switch回来的时候使用 12 try: 13 return self.hub.switch() # switch到hub 14 finally: 15 self.greenlet = None
核心的逻辑在第11到15行，11行中，getcurrent获取当前的greenlet（在这个测试代码中，是main greenlet，即最原始的greenlet），将其复制给waiter.greenlet。然后13行switch到hub，在greenlet回顾章节的第二条提到，greenlet.greenlet的子类需要重写run方法，当调用子类的switch时会调用到该run方法。Hub的run方法实现如下：
1 def run(self): 2 """ 3 Entry-point to running the loop. This method is called automatically 4 when the hub greenlet is scheduled; do not call it directly. 5 6 :raises LoopExit: If the loop finishes running. This means 7 that there are no other scheduled greenlets, and no active 8 watchers or servers. In some situations, this indicates a 9 programming error. 10 """ 11 assert self is getcurrent(), 'Do not call Hub.run() directly' 12 while True: 13 loop = self.loop 14 loop.error_handler = self 15 try: 16 loop.run() 17 finally: 18 loop.error_handler = None # break the refcount cycle 19 self.parent.throw(LoopExit('This operation would block forever', self))
loop自然是libev的事件循环。doc中提到，这个loop理论上会一直循环，如果结束，那么表明没有任何监听的事件（包括IO 定时等）。之前在Hub.wait函数中注册了定时器，那么在这个run中，如果时间到了，那么会调用定时器的callback，也就是之前的waiter.switch, 我们再来看看这个函数（gevent.hub.Waiter.switch）：
1 def switch(self, value=None): 2 """Switch to the greenlet if one's available. Otherwise store the value.""" 3 greenlet = self.greenlet 4 if greenlet is None: 5 self.value = value 6 self._exception = None 7 else: 8 assert getcurrent() is self.hub, "Can only use Waiter.switch method from the Hub greenlet" 9 switch = greenlet.switch 10 try: 11 switch(value) 12 except: 13 self.hub.handle_error(switch, *sys.exc_info())
核心代码在第8到13行，第8行保证调用到该函数的时候一定在hub这个协程中，这是很自然的，因为这个函数一定是在Hub.run中被调用。第11行switch到waiter.greenlet这个协程，在讲解waiter.get的时候就提到了waiter.greenlet是main greenlet。注意，这里得switch会回到main greenlet被切出的地方（也就是main greenlet挂起的地方），那就是在waiter.get的第10行，整个逻辑也就恢复到main greenlet继续执行。
总结：sleep的作用很简单，触发一个阻塞的操作，导致调用hub.wait，从当前greenlet.greenlet切换至Hub，超时之后再从hub切换到之前的greenlet继续执行。通过这个例子可以知道，gevent将任何阻塞性的操作封装成一个Watcher，然后从调用阻塞操作的协程切换到Hub，等到阻塞操作完成之后，再从Hub切换到之前的协程。
gevent调度示例2：
上面这个例子，虽然能够理顺gevent的调度流程，但事实上并没有体现出gevent 协作的优势。接下来看看gevent tutorial的例子：
1 import gevent 2 3 def foo(): 4 print('Running in foo') 5 gevent.sleep(0) 6 print('Explicit context switch to foo again') 7 8 def bar(): 9 print('Explicit context to bar') 10 gevent.sleep(0) 11 print('Implicit context switch back to bar') 12 13 gevent.joinall([ 14 gevent.spawn(foo), 15 gevent.spawn(bar), 16 ]) 17 18 # output 19 Running in foo 20 Explicit context to bar 21 Explicit context switch to foo again 22 Implicit context switch back to bar
从输出可以看到， foo和bar依次输出，显然是在gevent.sleep的时候发生了执行流程切换，gevent.sleep再前面已经介绍了，那么这里主要关注spawn和joinall函数
gevent.spawn本质调用了gevent.greenlet.Greenlet的类方法spawn：
1 @classmethod 2 def spawn(cls, *args, **kwargs): 3 g = cls(*args, **kwargs) 4 g.start() 5 return g
这个类方法调用了Greenlet的两个函数，__init__ 和 start. init函数中最为关键的是这段代码：
1 def __init__(self, run=None, *args, **kwargs): 2 greenlet.__init__(self, None, get_hub()) # 将新创生的greenlet实例的parent一律设置成hub 3 4 if run is not None: 5 self._run = run
start函数的定义也很简单（gevent.greenlet.Greenlet.start）：
1 def start(self): 2 """Schedule the greenlet to run in this loop iteration""" 3 if self._start_event is None: 4 self._start_event = self.parent.loop.run_callback(self.switch)
注册回调事件self.switch到hub.loop，注意Greenlet.switch最终会调用到Greenlet._run, 也就是spawn函数传入的callable对象(foo、bar)。这里仅仅是注册，但还没有开始事件轮询，gevent.joinall就是用来启动事件轮询并等待运行结果的。
joinall函数会一路调用到gevent.hub.iwait函数：
1 def iwait(objects, timeout=None, count=None): 2 """ 3 Iteratively yield *objects* as they are ready, until all (or *count*) are ready 4 or *timeout* expired. 5 """ 6 # QQQ would be nice to support iterable here that can be generated slowly (why?) 7 if objects is None: 8 yield get_hub().join(timeout=timeout) 9 return 10 11 count = len(objects) if count is None else min(count, len(objects)) 12 waiter = _MultipleWaiter() # _MultipleWaiter是Waiter的子类 13 switch = waiter.switch 14 15 if timeout is not None: 16 timer = get_hub().loop.timer(timeout, priority=-1) 17 timer.start(switch, _NONE) 18 19 try: 20 for obj in objects: 21 obj.rawlink(switch) # 这里往hub.loop注册了回调 22 23 for idx in xrange(count): 24 print 'for in iwait', idx 25 item = waiter.get() # 这里会切换到hub 26 print 'come here ', item, getcurrent() 27 waiter.clear() 28 if item is _NONE: 29 return 30 yield item 31 finally: 32 if timeout is not None: 33 timer.stop() 34 for obj in objects: 35 unlink = getattr(obj, 'unlink', None) 36 if unlink: 37 try: 38 unlink(switch) 39 except: 40 traceback.print_exc()
然后iwait函数第23行开始的循环，逐个调用waiter.get。这里的waiter是_MultipleWaiter(Waiter)的实例，其get函数最终调用到Waiter.get。前面已经详细介绍了Waiter.get，简而言之，就是switch到hub。我们利用greenlet的tracing功能可以看到整个greenlet.greenlet的switch流程，修改后的代码如下：
1 import gevent 2 import greenlet 3 def callback(event, args): 4 print event, args[0], '===:>>>>', args[1] 5 6 def foo(): 7 print('Running in foo') 8 gevent.sleep(0) 9 print('Explicit context switch to foo again') 10 11 def bar(): 12 print('Explicit context to bar') 13 gevent.sleep(0) 14 print('Implicit context switch back to bar') 15 16 print 'main greenlet info: ', greenlet.greenlet.getcurrent() 17 print 'hub info', gevent.get_hub() 18 oldtrace = greenlet.settrace(callback) 19 20 gevent.joinall([ 21 gevent.spawn(foo), 22 gevent.spawn(bar), 23 ]) 24 greenlet.settrace(oldtrace)
切换流程及原因见下图：
总结：gevent.spawn创建一个新的Greenlet，并注册到hub的loop上，调用gevent.joinall或者Greenlet.join的时候开始切换到hub。
本文通过两个简单的例子并结合源码分析了gevent的协程调度流程。gevent的使用非常方便，尤其是在web server中，基本上应用App什么都不用做就能享受gevent带来的好处。笔者阅读gevent源码最重要的原因在于想了解gevent对greenlet的封装和使用，greenlet很强大，强大到容易出错，而gevent保证在两层协程之间切换，值得借鉴！
references：
http://www.cnblogs.com/xybaby/p/6337944.html
https://pypi.python.org/pypi/greenlet
http://software.schmorp.de/pkg/libev.html
http://nichol.as/benchmark-of-python-web-servers