Python如何协程

Python如何协程？很多新手对此不是很清楚，为了帮助大家解决这个难题，下面小编将为大家详细讲解，有这方面需求的人可以来学习下，希望你能有所收获。

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通常在Python中我们进行并发编程一般都是使用多线程或者多进程来实现的，对于计算型任务由于GIL的存在我们通常使用多进程来实现，而对于IO型任务我们可以通过线程调度来让线程在执行IO任务时让出GIL，从而实现表面上的并发。其实对于IO型任务我们还有一种选择就是协程，协程是运行在单线程当中的"并发"，协程相比多线程一大优势就是省去了多线程之间的切换开销，获得了更大的运行效率。

协程，又称微线程，纤程，英文名Coroutine。协程的作用是在执行函数A时可以随时中断去执行函数B，然后中断函数B继续执行函数A（可以自由切换）。但这一过程并不是函数调用，这一整个过程看似像多线程，然而协程只有一个线程执行。

那协程有什么优势呢？

执行效率极高，因为子程序切换（函数）不是线程切换，由程序自身控制，没有切换线程的开销。所以与多线程相比，线程的数量越多，协程性能的优势越明显。

不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在控制共享资源时也不需要加锁，因此执行效率高很多。

协程可以处理IO密集型程序的效率问题，但是处理CPU密集型不是它的长处，如要充分发挥CPU利用率可以结合多进程+协程。

Python中的协程经历了很长的一段发展历程。其大概经历了如下三个阶段：

最初的生成器变形yield/send

引入@asyncio.coroutine和yield from

引入async/await关键字

上述是协程概念和优势的一些简介，感觉会比较抽象，Python2.x对协程的支持比较有限，生成器yield实现了一部分但不完全，gevent模块倒是有比较好的实现；Python3.4加入了asyncio模块，在Python3.5中又提供了async/await语法层面的支持，Python3.6中asyncio模块更加完善和稳定。接下来我们围绕这些内容详细阐述一下。

Python2.x协程

python2.x实现协程的方式有：

yield + send

gevent (见后续章节)

yield + send（利用生成器实现协程）

我们通过“生产者-消费者”模型来看一下协程的应用，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产。

#-*- coding:utf8 -*-
def consumer():
    r = ''
    while True:
    n = yield r
    if not n:
        return
    print('[CONSUMER]Consuming %s...' % n)
    r = '200 OK'
def producer(c):
    # 启动生成器
    c.send(None)
    n = 0
    while n < 5:
    n = n + 1
    print('[PRODUCER]Producing %s...' % n)
    r = c.send(n)
    print('[PRODUCER]Consumer return: %s' % r)
    c.close()
if __name__ == '__main__':
    c = consumer()
    producer(c)

复制代码send(msg)与next()的区别在于send可以传递参数给yield表达式，这时传递的参数会作为yield表达式的值，而yield的参数是返回给调用者的值。换句话说，就是send可以强行修改上一个yield表达式的值。比如函数中有一个yield赋值a = yield 5，第一次迭代到这里会返回5，a还没有赋值。第二次迭代时，使用send(10)，那么就是强行修改yield 5表达式的值为10，本来是5的，结果a = 10。send(msg)与next()都有返回值，它们的返回值是当前迭代遇到yield时，yield后面表达式的值，其实就是当前迭代中yield后面的参数。第一次调用send时必须是send(None)，否则会报错，之所以为None是因为这时候还没有一个yield表达式可以用来赋值。上述例子运行之后输出结果如下：

[PRODUCER]Producing 1...
[CONSUMER]Consuming 1...
[PRODUCER]Consumer return: 200 OK
[PRODUCER]Producing 2...
[CONSUMER]Consuming 2...
[PRODUCER]Consumer return: 200 OK
[PRODUCER]Producing 3...
[CONSUMER]Consuming 3...
[PRODUCER]Consumer return: 200 OK
[PRODUCER]Producing 4...
[CONSUMER]Consuming 4...
[PRODUCER]Consumer return: 200 OK
[PRODUCER]Producing 5...
[CONSUMER]Consuming 5...
[PRODUCER]Consumer return: 200 OK

Python3.x协程

除了Python2.x中协程的实现方式，Python3.x还提供了如下方式实现协程：

asyncio + yield from (python3.4+)

asyncio + async/await (python3.5+)

Python3.4以后引入了asyncio模块，可以很好的支持协程。

asyncio + yield from

asyncio是Python3.4版本引入的标准库，直接内置了对异步IO的支持。asyncio的异步操作，需要在coroutine中通过yield from完成。看如下代码（需要在Python3.4以后版本使用）：

#-*- coding:utf8 -*-
import asyncio
@asyncio.coroutine
def test(i):
    print('test_1', i)
    r = yield from asyncio.sleep(1)
    print('test_2', i)
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = [test(i) for i in range(3)]
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    loop.close()

@asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型，然后就把这个coroutine扔到EventLoop中执行。test()会首先打印出test_1，然后yield from语法可以让我们方便地调用另一个generator。由于asyncio.sleep()也是一个coroutine，所以线程不会等待asyncio.sleep()，而是直接中断并执行下一个消息循环。当asyncio.sleep()返回时，线程就可以从yield from拿到返回值（此处是None），然后接着执行下一行语句。把asyncio.sleep(1)看成是一个耗时1秒的IO操作，在此期间主线程并未等待，而是去执行EventLoop中其他可以执行的coroutine了，因此可以实现并发执行。

asyncio + async/await

为了简化并更好地标识异步IO，从Python3.5开始引入了新的语法async和await，可以让coroutine的代码更简洁易读。请注意，async和await是coroutine的新语法，使用新语法只需要做两步简单的替换：

把@asyncio.coroutine替换为async

把yield from替换为await

看如下代码（在Python3.5以上版本使用）：

#-*- coding:utf8 -*-
import asyncio
async def test(i):
    print('test_1', i)
    await asyncio.sleep(1)
    print('test_2', i)
    
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = [test(i) for i in range(3)]
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    loop.close()

运行结果与之前一致。与前一节相比，这里只是把yield from换成了await，@asyncio.coroutine换成了async，其余不变。

Gevent

Gevent是一个基于Greenlet实现的网络库，通过greenlet实现协程。基本思想是一个greenlet就认为是一个协程，当一个greenlet遇到IO操作的时候，比如访问网络，就会自动切换到其他的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操作。

Greenlet是作为一个C扩展模块，它封装了libevent事件循环的API，可以让开发者在不改变编程习惯的同时，用同步的方式写异步IO的代码。

#-*- coding:utf8 -*-
import gevent
def test(n):
    for i in range(n):
        print(gevent.getcurrent(), i)
if __name__ == '__main__':
    g1 = gevent.spawn(test, 3)
    g2 = gevent.spawn(test, 3)
    g3 = gevent.spawn(test, 3)
    
    g1.join()
    g2.join()
    g3.join()

运行结果：

<Greenlet at 0x10a6eea60: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10a6eea60: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10a6eea60: test(3)> 2
<Greenlet at 0x10a6eed58: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10a6eed58: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10a6eed58: test(3)> 2
<Greenlet at 0x10a6eedf0: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10a6eedf0: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10a6eedf0: test(3)> 2

复制代码可以看到3个greenlet是依次运行而不是交替运行。要让greenlet交替运行，可以通过gevent.sleep()交出控制权：

def test(n):
    for i in range(n):
        print(gevent.getcurrent(), i)
        gevent.sleep(1)

运行结果：

<Greenlet at 0x10382da60: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10382dd58: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10382ddf0: test(3)> 0
<Greenlet at 0x10382da60: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10382dd58: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10382ddf0: test(3)> 1
<Greenlet at 0x10382da60: test(3)> 2
<Greenlet at 0x10382dd58: test(3)> 2
<Greenlet at 0x10382ddf0: test(3)> 2

当然在实际的代码里，我们不会用gevent.sleep()去切换协程，而是在执行到IO操作时gevent会自动完成，所以gevent需要将Python自带的一些标准库的运行方式由阻塞式调用变为协作式运行。这一过程在启动时通过monkey patch完成：

#-*- coding:utf8 -*-
from gevent import monkey; monkey.patch_all()
from urllib import request
import gevent
def test(url):
    print('Get: %s' % url)
    response = request.urlopen(url)
    content = response.read().decode('utf8')
    print('%d bytes received from %s.' % (len(content), url))
    
if __name__ == '__main__':
    gevent.joinall([
    gevent.spawn(test, 'http://httpbin.org/ip'),
    gevent.spawn(test, 'http://httpbin.org/uuid'),
    gevent.spawn(test, 'http://httpbin.org/user-agent')
    ])

运行结果：

Get: http://httpbin.org/ip
Get: http://httpbin.org/uuid
Get: http://httpbin.org/user-agent
53 bytes received from http://httpbin.org/uuid.
40 bytes received from http://httpbin.org/user-agent.
31 bytes received from http://httpbin.org/ip.

从结果看，3个网络操作是并发执行的，而且结束顺序不同，但只有一个线程。

总结

至此Python中的协程就介绍完毕了，示例程序中都是以sleep代表异步IO的，在实际项目中可以使用协程异步的读写网络、读写文件、渲染界面等，而在等待协程完成的同时，CPU还可以进行其他的计算，协程的作用正在于此。那么协程和多线程的差异在哪里呢？多线程的切换需要靠操作系统来完成，当线程越来越多时切换的成本会很高，而协程是在一个线程内切换的，切换过程由我们自己控制，因此开销小很多，这就是协程和多线程的根本差异。

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