協程

1、協程的理解

協程，又稱微線程，纖程。英文名Coroutine，是一種用戶態的輕量級線程。

注意：
　　1. python的線程屬於內核級別的，即由操作系統控制調度（如單線程一旦遇到io就被迫交出cpu執行權限，切換其他線程運行）
　　2. 單線程內開啟協程，一旦遇到io，從應用程序級別（而非操作系統）控制切換
協程優點：
　　1. 協程的切換開銷更小，屬於程序級別的切換，操作系統完全感知不到，因而更加輕量級
　　2. 單線程內就可以實現並發的效果，最大限度地利用cpu
協程缺點：
　　1.協程的本質是單線程下，無法利用多核，可以是一個程序開啟多個進程，每個進程內開啟多個線程，每個線程內開啟協程
　　2.協程指的是單個線程，因而一旦協程出現阻塞，將會阻塞整個線程

協程擁有自己的寄存器上下文和棧。協程調度切換時，將寄存器上下文和棧保存到其他地方（線程調度時候寄存器上下文及棧等保存在內存中），在切回來的時候，恢復先前保存的寄存器上下文和棧。因此：協程能保留上一次調用時的狀態（即所有局部狀態的一個特定組合），每次過程重入時，就相當於進入上一次調用的狀態，換種說法：進入上一次離開時所處邏輯流的位置。

子程序，或者稱為函數，在所有語言中都是層級調用，比如A調用B，B在執行過程中又調用了C，C執行完畢返回，B執行完畢返回，最后是A執行完畢。

所以子程序調用是通過棧實現的，一個線程就是執行一個子程序。子程序調用總是一個入口，一次返回，調用順序是明確的。而協程的調用和子程序不同。

協程看上去也是子程序，但執行過程中，在子程序內部可中斷，然后轉而執行別的子程序，在適當的時候再返回來接着執行。

注意，在一個子程序中中斷，去執行其他子程序，不是函數調用，有點類似CPU的中斷。比如子程序A、B：

def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'
 
def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

假設由協程執行，在執行A的過程中，可以隨時中斷，去執行B，B也可能在執行過程中中斷再去執行A，結果可能是：

1
2
x
y
3
z

但是在A中是沒有調用B的，所以協程的調用比函數調用理解起來要難一些。

看起來A、B的執行有點像多線程，但協程的特點在於是一個線程執行。

2、yield的運用

從句法上看，協程與生成器類似，都是定義體中包含 yield 關鍵字的函數。可是，在協程中， yield 通常出現在表達式的右邊（例如， datum = yield），可以產出值，也可以不產出 —— 如果 yield 關鍵字后面沒有表達式，那么生成器產出 None。

協程可能會從調用方接收數據，不過調用方把數據提供給協程使用的是 .send(datum) 方法，而不是next(…) 函數。

==yield 關鍵字甚至還可以不接收或傳出數據。不管數據如何流動， yield 都是一種流程控制工具，使用它可以實現協作式多任務：協程可以把控制器讓步給中心調度程序，從而激活其他的協程==。

import random
def create_generator_function(n):
    i = 0
    while i < n:
        b = yield i
        print("It's {0}".format(b))
        i = i + 1
obj = create_generator_function(5)
obj1 = obj.next()
x = 0
while x<5:
    try:
        obj1 = obj.send(random.random()) 
    except:
        pass
    x += 1

我們先給協程一個標准定義，即符合什么條件就能稱之為協程：

1. 必須在只有一個單線程里實現並發
2. 修改共享數據不需加鎖
3. 用戶程序里自己保存多個控制流的上下文棧
4. 一個協程遇到IO操作自動切換到其它協程

基於上面這4點定義，我們剛才用yield實現的程並不能算是合格的線程，不滿足最后一條。

 如何實現單線程下並發效果：遇到IO操作就切換，協程之所以能處理大並發，就是由於擠掉了IO操作，使得CPU一直運行。

關鍵在於切換出來后，什么時候再切換回去？？需要程序自動監測IO操作，IO操作結束就切換回去。

以上我們是通過yeild實現的協程的功能，yield能實現協程，不過實現過程不易於理解，greenlet是在這方面做了改進。

3、Greenlet

Greenlet是python的一個C擴展，來源於Stackless python，旨在提供可自行調度的‘微線程’， 即協程。generator實現的協程在yield value時只能將value返回給調用者(caller)。 而在greenlet中，target.switch（value）可以切換到指定的協程（target）， 然后yield value。greenlet用switch來表示協程的切換，從一個協程切換到另一個協程需要顯式指定。是一種手動切換

4、gevent

gevent是第三方庫，可以輕松通過gevent實現並發同步或異步編程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C擴展模塊形式接入Python的輕量級協程。 Greenlet全部運行在主程序操作系統進程的內部，但它們被協作式地調度。其基本思想是：

當一個greenlet遇到IO操作時，比如訪問網絡，就自動切換到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在適當的時候切換回來繼續執行。由於IO操作非常耗時，經常使程序處於等待狀態，有了gevent為我們自動切換協程，就保證總有greenlet在運行，而不是等待IO。

由於切換是在IO操作時自動完成，所以gevent需要修改Python自帶的一些標准庫，這一過程在啟動時通過monkey patch完成。