引子

　　之前我們學習了執行緒、程序的概念，瞭解了在作業系統中程序是資源分配的最小單位,執行緒是CPU排程的最小單位。按道理來說我們已經算是把cpu的利用率提高很多了。但是我們知道無論是建立多程序還是建立多執行緒來解決問題，都要消耗一定的時間來建立程序、建立執行緒、以及管理他們之間的切換。

　　隨著我們對於效率的追求不斷提高，基於單執行緒來實現併發又成為一個新的課題，即只用一個主執行緒（很明顯可利用的cpu只有一個）情況下實現併發。這樣就可以節省建立線程序所消耗的時間。

　　為此我們需要先回顧下併發的本質：切換+儲存狀態

 　　cpu正在執行一個任務，會在兩種情況下切走去執行其他的任務（切換由作業系統強制控制），一種情況是該任務發生了阻塞，另外一種情況是該任務計算的時間過長

　  　

　　ps：在介紹程序理論時，提及程序的三種執行狀態，而執行緒才是執行單位，所以也可以將上圖理解為執行緒的三種狀態 

　　 一：其中第二種情況並不能提升效率，只是為了讓cpu能夠雨露均沾，實現看起來所有任務都被“同時”執行的效果，如果多個任務都是純計算的，這種切換反而會降低效率。

　　為此我們可以基於yield來驗證。yield本身就是一種在單執行緒下可以儲存任務執行狀態的方法，我們來簡單複習一下：

#1 yiled可以儲存狀態，yield的狀態儲存與作業系統的儲存執行緒狀態很像，但是yield是程式碼級別控制的，更輕量級
#2 send可以把一個函式的結果傳給另外一個函式，以此實現單執行緒內程式之間的切換

#序列執行
import time
def consumer(res):
    '''任務1:接收資料,處理資料'''
    pass

def producer():
    '''任務2:生產資料'''
    res=[]
    for i in range(10000000):
        res.append(i)
    return res

start=time.time()
#序列執行
res=producer()
consumer(res) #寫成consumer(producer())會降低執行效率
stop=time.time()
print(stop-start) #
 
1.5536692142486572



#基於yield併發執行
import time
def consumer():
    '''任務1:接收資料,處理資料'''
    while True:
        x=yield

def producer():
    '''任務2:生產資料'''
    g=consumer()
    next(g)
    for i in range(10000000):
        g.send(i)

start=time.time()
#基於yield儲存狀態,實現兩個任務直接來回切換,即併發的效果
#PS:如果每個任務中都加上列印,那麼明顯地看到兩個任務的列印是你一次我一次,即併發執行的.
producer()

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

單純地切換反而會降低執行效率

二：第一種情況的切換。在任務一遇到io情況下，切到任務二去執行，這樣就可以利用任務一阻塞的時間完成任務二的計算，效率的提升就在於此。

import time
def consumer():
    '''任務1:接收資料,處理資料'''
    while True:
        x=yield

def producer():
    '''任務2:生產資料'''
    g=consumer()
    next(g)
    for i in range(10000000):
        g.send(i)
        time.sleep(2)

start=time.time()
producer() #併發執行,但是任務producer遇到io就會阻塞住,並不會切到該執行緒內的其他任務去執行

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

yield無法做到遇到io阻塞

對於單執行緒下，我們不可避免程式中出現io操作，但如果我們能在自己的程式中（即使用者程式級別，而非作業系統級別）控制單執行緒下的多個任務能在一個任務遇到io阻塞時就切換到另外一個任務去計算，這樣就保證了該執行緒能夠最大限度地處於就緒態，即隨時都可以被cpu執行的狀態，相當於我們在使用者程式級別將自己的io操作最大限度地隱藏起來，從而可以迷惑作業系統，讓其看到：該執行緒好像是一直在計算，io比較少，從而更多的將cpu的執行許可權分配給我們的執行緒。

    協程的本質就是在單執行緒下，由使用者自己控制一個任務遇到io阻塞了就切換另外一個任務去執行，以此來提升效率。為了實現它，我們需要找尋一種可以同時滿足以下條件的解決方案：

#1. 可以控制多個任務之間的切換，切換之前將任務的狀態儲存下來，以便重新執行時，可以基於暫停的位置繼續執行。
#2. 作為1的補充：可以檢測io操作，在遇到io操作的情況下才發生切換

 

協程介紹

協程：是單執行緒下的併發，又稱微執行緒，纖程。英文名Coroutine。一句話說明什麼是執行緒：協程是一種使用者態的輕量級執行緒，即協程是由使用者程式自己控制排程的。、

需要強調的是：

#1. python的執行緒屬於核心級別的，即由作業系統控制排程（如單執行緒遇到io或執行時間過長就會被迫交出cpu執行許可權，切換其他執行緒執行）
#2. 單執行緒內開啟協程，一旦遇到io，就會從應用程式級別（而非作業系統）控制切換，以此來提升效率（！！！非io操作的切換與效率無關）

對比作業系統控制執行緒的切換，使用者在單執行緒內控制協程的切換

優點如下：

#1. 協程的切換開銷更小，屬於程式級別的切換，作業系統完全感知不到，因而更加輕量級
#2. 單執行緒內就可以實現併發的效果，最大限度地利用cpu

缺點如下：

#1. 協程的本質是單執行緒下，無法利用多核，可以是一個程式開啟多個程序，每個程序內開啟多個執行緒，每個執行緒內開啟協程
#2. 協程指的是單個執行緒，因而一旦協程出現阻塞，將會阻塞整個執行緒

總結協程特點：

1. 必須在只有一個單執行緒裡實現併發
2. 修改共享資料不需加鎖
3. 使用者程式裡自己儲存多個控制流的上下文棧
4. 附加：一個協程遇到IO操作自動切換到其它協程（如何實現檢測IO，yield、greenlet都無法實現，就用到了gevent模組（select機制））

Greenlet模組

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時傳入引數，以後都不需要

greenlet實現狀態切換

單純的切換（在沒有io的情況下或者沒有重複開闢記憶體空間的操作），反而會降低程式的執行速度

#順序執行
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)) #10.985628366470337

#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)) # 52.763017892837524

效率對比

greenlet只是提供了一種比generator更加便捷的切換方式，當切到一個任務執行時如果遇到io，那就原地阻塞，仍然是沒有解決遇到IO自動切換來提升效率的問題。

單執行緒裡的這20個任務的程式碼通常會既有計算操作又有阻塞操作，我們完全可以在執行任務1時遇到阻塞，就利用阻塞的時間去執行任務2。。。。如此，才能提高效率，這就用到了Gevent模組。

Gevent模組

安裝：pip3 install gevent

Gevent 是一個第三方庫，可以輕鬆通過gevent實現併發同步或非同步程式設計，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C擴充套件模組形式接入Python的輕量級協程。 Greenlet全部執行在主程式作業系統程序的內部，但它們被協作式地排程。

g1=gevent.spawn(func,1,,2,3,x=4,y=5)建立一個協程物件g1，spawn括號內第一個引數是函式名，如eat，後面可以有多個引數，可以是位置實參或關鍵字實參，都是傳給函式eat的

g2=gevent.spawn(func2)

g1.join() #等待g1結束

g2.join() #等待g2結束

#或者上述兩步合作一步：gevent.joinall([g1,g2])

g1.value#拿到func1的返回值

用法介紹

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(1)
    print('%s play 2' %name)


g1=gevent.spawn(eat,'egon')
g2=gevent.spawn(play,name='egon')
g1.join()
g2.join()
#或者gevent.joinall([g1,g2])
print('主')

例：遇到io主動切換

上例gevent.sleep(2)模擬的是gevent可以識別的io阻塞,而time.sleep(2)或其他的阻塞,gevent是不能直接識別的需要用下面一行程式碼,打補丁,就可以識別了

from gevent import monkey;monkey.patch_all()必須放到被打補丁者的前面，如time，socket模組之前

或者我們乾脆記憶成：要用gevent，需要將from gevent import monkey;monkey.patch_all()放到檔案的開頭

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)
gevent.joinall([g1,g2])
print('主')

View Code

我們可以用threading.current_thread().getName()來檢視每個g1和g2，檢視的結果為DummyThread-n，即假執行緒

 

 

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
import threading
import gevent
import time
def eat():
    print(threading.current_thread().getName())
    print('eat food 1')
    time.sleep(2)
    print('eat food 2')

def play():
    print(threading.current_thread().getName())
    print('play 1')
    time.sleep(1)
    print('play 2')

g1=gevent.spawn(eat)
g2=gevent.spawn(play)
gevent.joinall([g1,g2])
print('主')

檢視threading.current_thread().getName()

 

Gevent之同步與非同步

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
    for i in range(10):
        task(i)

def asynchronous(): # 非同步
    g_l=[spawn(task,i) for i in range(10)]
    joinall(g_l)
    print('DONE')
    
if __name__ == '__main__':
    print('Synchronous:')
    synchronous()
    print('Asynchronous:')
    asynchronous()
#  上面程式的重要部分是將task函式封裝到Greenlet內部執行緒的gevent.spawn。
#  初始化的greenlet列表存放在陣列threads中，此陣列被傳給gevent.joinall 函式，
#  後者阻塞當前流程，並執行所有給定的greenlet任務。執行流程只會在 所有greenlet執行完後才會繼續向下走。

Gevent之應用舉例一

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))

協程應用：爬蟲

Gevent之應用舉例二

通過gevent實現單執行緒下的socket併發

注意 ：from gevent import monkey;monkey.patch_all()一定要放到匯入socket模組之前，否則gevent無法識別socket的阻塞

from gevent import monkey;monkey.patch_all()
from socket import *
import gevent

#如果不想用money.patch_all()打補丁,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)

server

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'))

client

from threading import Thread
from socket import *
import threading

def client(server_ip,port):
    c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) #套接字物件一定要加到函式內，即區域性名稱空間內，放在函式外則被所有執行緒共享，則大家公用一個套接字物件，那麼客戶端埠永遠一樣了
    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()

多執行緒併發多個客戶端