引子

? 本節(jié)的主題是基于單線程來實(shí)現(xiàn)并發(fā)乖阵，即只用一個(gè)主線程（很明顯可利用的cpu只有一個(gè)）情況下實(shí)現(xiàn)并發(fā)裂七，為此我們需要先回顧下并發(fā)的本質(zhì)：切換+保存狀態(tài)擂啥。

? cpu正在運(yùn)行一個(gè)任務(wù)悯辙，會(huì)在兩種情況下切走去執(zhí)行其他的任務(wù)（切換由操作系統(tǒng)強(qiáng)制控制）遗锣，一種情況是該任務(wù)發(fā)生了阻塞货裹，另外一種情況是該任務(wù)計(jì)算的時(shí)間過長(zhǎng)。

img

ps：在介紹進(jìn)程理論時(shí)精偿，提及進(jìn)程的三種執(zhí)行狀態(tài)弧圆，而線程才是執(zhí)行單位，所以也可以將上圖理解為線程的三種狀態(tài) 还最。

? 其中第二種情況并不能提升效率墓阀，只是為了讓cpu能夠雨露均沾，實(shí)現(xiàn)看起來所有任務(wù)都被“同時(shí)”執(zhí)行的效果拓轻，如果多個(gè)任務(wù)都是純計(jì)算的斯撮，這種切換反而會(huì)降低效率。為此我們可以基于yield來驗(yàn)證扶叉。yield本身就是一種在單線程下可以保存任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的方法勿锅，我們來簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下：

#1 yiled可以保存狀態(tài)，yield的狀態(tài)保存與操作系統(tǒng)的保存線程狀態(tài)很像枣氧，但是yield是代碼級(jí)別控制的溢十，更輕量級(jí)
#2 send可以把一個(gè)函數(shù)的結(jié)果傳給另外一個(gè)函數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)單線程內(nèi)程序之間的切換  

#單純地切換反而會(huì)降低運(yùn)行效率
#串行執(zhí)行
import time
def consumer(res):
    '''任務(wù)1:接收數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)'''
    pass

def producer():
    '''任務(wù)2:生產(chǎn)數(shù)據(jù)'''
    res=[]
    for i in range(10000000):
        res.append(i)
    return res

start=time.time()
#串行執(zhí)行
res=producer()
consumer(res)
stop=time.time()
print(stop-start) #1.5536692142486572

#基于yield并發(fā)執(zhí)行
import time
def consumer():
    '''任務(wù)1:接收數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)'''
    while True:
        x=yield

def producer():
    '''任務(wù)2:生產(chǎn)數(shù)據(jù)'''
    g=consumer()
    next(g)
    for i in range(10000000):
        g.send(i)

start=time.time()
#基于yield保存狀態(tài),實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)直接來回切換,即并發(fā)的效果
#PS:如果每個(gè)任務(wù)中都加上打印,那么明顯地看到兩個(gè)任務(wù)的打印是你一次我一次,即并發(fā)執(zhí)行的.
producer()

stop=time.time()
print(stop-start) #2.0272178649902344

而在任務(wù)一遇到io情況下达吞，切到任務(wù)二去執(zhí)行张弛，這樣就可以利用任務(wù)一阻塞的時(shí)間完成任務(wù)二的計(jì)算，效率的提升就在于此。

#yield并不能實(shí)現(xiàn)遇到io切換
import time
def consumer():
    '''任務(wù)1:接收數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)'''
    while True:
        x=yield
def producer():
    '''任務(wù)2:生產(chǎn)數(shù)據(jù)'''
    g=consumer()
    next(g)
    for i in range(10000000):
        g.send(i)
        time.sleep(2)
start=time.time()
producer() #并發(fā)執(zhí)行,但是任務(wù)producer遇到io就會(huì)阻塞住,并不會(huì)切到該線程內(nèi)的其他任務(wù)去執(zhí)行
stop=time.time()
print(stop-start)

對(duì)于單線程下吞鸭，我們不可避免程序中出現(xiàn)io操作寺董，但如果我們能在自己的程序中（即用戶程序級(jí)別，而非操作系統(tǒng)級(jí)別）控制單線程下的多個(gè)任務(wù)能在一個(gè)任務(wù)遇到io阻塞時(shí)就切換到另外一個(gè)任務(wù)去計(jì)算刻剥，這樣就保證了該線程能夠最大限度地處于就緒態(tài)遮咖，即隨時(shí)都可以被cpu執(zhí)行的狀態(tài)，相當(dāng)于我們?cè)谟脩舫绦蚣?jí)別將自己的io操作最大限度地隱藏起來造虏，從而可以迷惑操作系統(tǒng)御吞，讓其看到：該線程好像是一直在計(jì)算，io比較少漓藕。

協(xié)程的本質(zhì)就是在單線程下陶珠，由用戶自己控制一個(gè)任務(wù)遇到io阻塞了就切換另外一個(gè)任務(wù)去執(zhí)行，以此來提升效率撵术。

? 因此我們需要找尋一種可以同時(shí)滿足以下條件的解決方案：

? 1. 可以控制多個(gè)任務(wù)之間的切換背率，切換之前將任務(wù)的狀態(tài)保存下來，以便重新運(yùn)行時(shí)嫩与，可以基于暫停的位置繼續(xù)執(zhí)行。

? 2. 作為1的補(bǔ)充：可以檢測(cè)io操作交排，在遇到io操作的情況下才發(fā)生切換

一 協(xié)程介紹

協(xié)程：是單線程下的并發(fā)划滋，又稱微線程，纖程埃篓。英文名Coroutine处坪。

一句話說明什么是協(xié)程：協(xié)程是一種用戶態(tài)的輕量級(jí)線程，即協(xié)程是由用戶程序自己控制調(diào)度的架专。

需要強(qiáng)調(diào)的是：

#1. python的線程屬于內(nèi)核級(jí)別的同窘，即由操作系統(tǒng)控制調(diào)度（如單線程一旦遇到io就被迫交出cpu執(zhí)行權(quán)限，切換其他線程運(yùn)行）
#2. 單線程內(nèi)開啟協(xié)程部脚，一旦遇到io想邦，從應(yīng)用程序級(jí)別（而非操作系統(tǒng)）控制切換

對(duì)比操作系統(tǒng)控制線程的切換，用戶在單線程內(nèi)控制協(xié)程的切換委刘，優(yōu)點(diǎn)如下：

#1. 協(xié)程的切換開銷更小丧没，屬于程序級(jí)別的切換，操作系統(tǒng)完全感知不到锡移，因而更加輕量級(jí)
#2. 單線程內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)的效果呕童，最大限度地利用cpu

要實(shí)現(xiàn)協(xié)程，關(guān)鍵在于用戶程序自己控制程序切換淆珊，切換之前必須由用戶程序自己保存協(xié)程上一次調(diào)用時(shí)的狀態(tài)夺饲，如此，每次重新調(diào)用時(shí)，能夠從上次的位置繼續(xù)執(zhí)行往声。

（詳細(xì)的：協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧擂找。協(xié)程調(diào)度切換時(shí)，將寄存器上下文和棧保存到其他地方烁挟，在切回來的時(shí)候婴洼，恢復(fù)先前保存的寄存器上下文和棧）

二 再看yield

我們之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過一種在單線程下可以保存程序運(yùn)行狀態(tài)的方法，即yield撼嗓，我們來簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下：

#1 yiled可以保存狀態(tài)柬采，yield的狀態(tài)保存與操作系統(tǒng)的保存線程狀態(tài)很像，但是yield是代碼級(jí)別控制的且警，更輕量級(jí)
#2 send可以把一個(gè)函數(shù)的結(jié)果傳給另外一個(gè)函數(shù)粉捻，以此實(shí)現(xiàn)單線程內(nèi)程序之間的切換 

#不用yield：每次函數(shù)調(diào)用,都需要重復(fù)開辟內(nèi)存空間，即重復(fù)創(chuàng)建名稱空間,因而開銷很大
import time
def consumer(item):
    # print('拿到包子%s' %item)
    x=11111111111
    x1=12111111111
    x3=13111111111
    x4=14111111111
    y=22222222222
    z=33333333333

    pass
def producer(target,seq):
    for item in seq:
        target(item) #每次調(diào)用函數(shù),會(huì)臨時(shí)產(chǎn)生名稱空間,調(diào)用結(jié)束則釋放,循環(huán)100000000次,則重復(fù)這么多次的創(chuàng)建和釋放,開銷非常大

start_time=time.time()
producer(consumer,range(100000000))
stop_time=time.time()
print('run time is:%s' %(stop_time-start_time)) #30.132838010787964


#使用yield：無需重復(fù)開辟內(nèi)存空間斑芜，即重復(fù)創(chuàng)建名稱空間,因而開銷小
import time
def init(func):
    def wrapper(*args,**kwargs):
        g=func(*args,**kwargs)
        next(g)
        return g
    return wrapper

@init
def consumer():
    x=11111111111
    x1=12111111111
    x3=13111111111
    x4=14111111111
    y=22222222222
    z=33333333333
    while True:
        item=yield
        # print('拿到包子%s' %item)
        pass
def producer(target,seq):
    for item in seq:
        target.send(item) #無需重新創(chuàng)建名稱空間,從上一次暫停的位置繼續(xù),相比上例,開銷小

start_time=time.time()
producer(consumer(),range(100000000))
stop_time=time.time()
print('run time is:%s' %(stop_time-start_time)) #21.882073879241943

缺點(diǎn)：

協(xié)程的本質(zhì)是單線程下肩刃，無法利用多核，可以是一個(gè)程序開啟多個(gè)進(jìn)程杏头，每個(gè)進(jìn)程內(nèi)開啟多個(gè)線程盈包，每個(gè)線程內(nèi)開啟協(xié)程。

協(xié)程指的是單個(gè)線程醇王，因而一旦協(xié)程出現(xiàn)阻塞呢燥，將會(huì)阻塞整個(gè)線程。

協(xié)程的定義（滿足1寓娩，2叛氨，3就可稱為協(xié)程）：

1. 必須在只有一個(gè)單線程里實(shí)現(xiàn)并發(fā)
2. 修改共享數(shù)據(jù)不需加鎖
3. 用戶程序里自己保存多個(gè)控制流的上下文棧
4. 附加：一個(gè)協(xié)程遇到IO操作自動(dòng)切換到其它協(xié)程（如何實(shí)現(xiàn)檢測(cè)IO，yield棘伴、greenlet都無法實(shí)現(xiàn)寞埠，就用到了gevent模塊（select機(jī)制））

yield切換在沒有io的情況下或者沒有重復(fù)開辟內(nèi)存空間的操作，對(duì)效率沒有什么提升焊夸，甚至更慢仁连。

三 greenlet

#安裝
pip3 install greenlet

from greenlet import greenlet

def eat(name):
    print('%s eat 1' %name)
    g2.switch('egon')
    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('egon')#可以在第一次switch時(shí)傳入?yún)?shù)，以后都不需要
'''
egon eat 1
egon play 1
egon eat 2
egon play 2
'''

單純的切換（在沒有io的情況下或者沒有重復(fù)開辟內(nèi)存空間的操作）淳地，反而會(huì)降低程序的執(zhí)行速度

#順序執(zhí)行
import time
def f1():
    res=1
    for i in range(100000000):
        res+=i
        
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)) #19.985628366470337

#切換
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)) # 91.13821244239807

greenlet只是提供了一種比generator更加便捷的切換方式怖糊，仍然是沒有解決遇到IO自動(dòng)切換的問題

四 gevent

#安裝
pip3 install gevent

Gevent 是一個(gè)第三方庫，可以輕松通過gevent實(shí)現(xiàn)并發(fā)同步或異步編程颇象，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C擴(kuò)展模塊形式接入Python的輕量級(jí)協(xié)程伍伤。 Greenlet全部運(yùn)行在主程序操作系統(tǒng)進(jìn)程的內(nèi)部，但它們被協(xié)作式地調(diào)度遣钳。

#用法
g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)
#創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程對(duì)象g1扰魂，spawn括號(hào)內(nèi)第一個(gè)參數(shù)是函數(shù)名，如eat，后面可以有多個(gè)參數(shù)劝评，可以是位置實(shí)參或關(guān)鍵字實(shí)參姐直，都是傳給函數(shù)eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join() #等待g1結(jié)束

g2.join() #等待g2結(jié)束

#或者上述兩步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value#拿到func1的返回值

遇到IO阻塞時(shí)會(huì)自動(dòng)切換任務(wù)

import gevent
import time

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,'egon') #創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程對(duì)象
g2 = gevent.spawn(play,'mxt')
gevent.joinall((g1,g2))#等待g1,g2結(jié)束

print('主線程')
'''
egon eat 1
mxt play 1
egon eat 2
mxt play 2
主線程
'''

上例gevent.sleep(2)模擬的是gevent可以識(shí)別的io阻塞,

而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接識(shí)別的需要用下面一行代碼,打補(bǔ)丁,就可以識(shí)別了

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必須放到被打補(bǔ)丁者的前面，如time蒋畜，socket模塊之前

或者我們干脆記憶成：要用gevent声畏，需要將from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到文件的開頭

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_phone)
gevent.joinall([g1,g2])
print('主')

1.gevent之同步與異步

from gevent import spawn,joinall,monkey;monkey.patch_all()

import time
def task(pid):
    """
    Some non-deterministic task
    """
    time.sleep(0.5)
    print('Task %s done' % pid)


def synchronous():#同步執(zhí)行
    [task(i) for i in range(10)]

def asynchronous():#異步執(zhí)行
    g_l=[spawn(task,i) for i in range(10)]
    joinall(g_l)

if __name__ == '__main__':
    t1 = time.time()
    print('Synchronous:')
    synchronous()
    t2 = time.time()
    print(t2-t1) # 5.007286548614502

    print('Asynchronous:')
    asynchronous()
    t3 = time.time()
    print(t3-t2) # 0.5010287761688232

#上面程序的重要部分是將task函數(shù)封裝到Greenlet內(nèi)部線程的gevent.spawn。
# 初始化的greenlet列表存放在數(shù)組threads中姻成，此數(shù)組被傳給gevent.joinall 函數(shù)插龄，
# 后者阻塞當(dāng)前流程，并執(zhí)行所有給定的greenlet科展。執(zhí)行流程只會(huì)在所有g(shù)reenlet執(zhí)行完后才會(huì)繼續(xù)向下走均牢。

2.gevent協(xié)程應(yīng)用：爬蟲

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import gevent
import requests
import time

def get_page(url):
    print('GET: %s' %url)
    response=requests.get(url)
    if response.status_code == 200:
        print('%d bytes received from %s' %(len(response.text),url))


start_time=time.time()
gevent.joinall([
    gevent.spawn(get_page,'https://www.python.org/'),
    gevent.spawn(get_page,'https://www.yahoo.com/'),
    gevent.spawn(get_page,'https://github.com/'),
])
stop_time=time.time()
print('run time is %s' %(stop_time-start_time))

3.gevent之應(yīng)用舉例一

通過gevent實(shí)現(xiàn)單線程下的socket并發(fā)（from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到導(dǎo)入socket模塊之前，否則gevent無法識(shí)別socket的阻塞）才睹。

#服務(wù)端
from gevent import monkey;monkey.patch_all()
from socket import *
import gevent

#如果不想用money.patch_all()打補(bǔ)丁,可以用gevent自帶的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)

#客戶端
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'))

#多線程并發(fā)多個(gè)客戶端
from threading import Thread
from socket import *
import threading

def client(server_ip,port):
    c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) 
    #套接字對(duì)象一定要加到函數(shù)內(nèi)徘跪，即局部名稱空間內(nèi)，放在函數(shù)外則被所有線程共享琅攘，則大家公用一個(gè)套接字對(duì)象垮庐，那么客戶端端口永遠(yuǎn)一樣了
    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()