前述
进程 线程 协程 异步
并发编程(不是并行)目前有四种方式:多进程、多线程、协程和异步。
- 多进程编程在python中有类似C的os.fork,更高层封装的有multiprocessing标准库
- 多线程编程python中有Thread和threading
- 异步编程在linux下主+要有三种实现select,poll,epoll
- 协程在python中通常会说到yield,关于协程的库主要有greenlet,stackless,gevent,eventlet等实现。
进程
- 不共享任何状态
- 调度由操作系统完成
- 有独立的内存空间(上下文切换的时候需要保存栈、cpu寄存器、虚拟内存、以及打开的相关句柄等信息,开销大)
- 通讯主要通过信号传递的方式来实现(实现方式有多种,信号量、管道、事件等,通讯都需要过内核,效率低)
线程
- 共享变量(解决了通讯麻烦的问题,但是对于变量的访问需要加锁)
- 调度由操作系统完成(由于共享内存,上下文切换变得高效)
- 一个进程可以有多个线程,每个线程会共享父进程的资源(创建线程开销占用比进程小很多,可创建的数量也会很多)
- 通讯除了可使用进程间通讯的方式,还可以通过共享内存的方式进行通信(通过共享内存通信比通过内核要快很多)
协程
- 调度完全由用户控制
- 一个线程(进程)可以有多个协程
- 每个线程(进程)循环按照指定的任务清单顺序完成不同的任务(当任务被堵塞时,执行下一个任务;当恢复时,再回来执行这个任务;任务间切换只需要保存任务的上下文,没有内核的开销,可以不加锁的访问全局变量)
- 协程需要保证是非堵塞的且没有相互依赖
- 协程基本上不能同步通讯,多采用异步的消息通讯,效率比较高
总结
- 进程拥有自己独立的堆和栈,既不共享堆,亦不共享栈,进程由操作系统调度
- 线程拥有自己独立的栈和共享的堆,共享堆,不共享栈,线程亦由操作系统调度(标准线程是的)
- 协程和线程一样共享堆,不共享栈,协程由程序员在协程的代码里显示调度
聊聊协程
协程,又称微线程,纤程。
Python的线程并不是标准线程,是系统级进程,线程间上下文切换有开销,而且Python在执行多线程时默认加了一个全局解释器锁(GIL),因此Python的多线程其实是串行的,所以并不能利用多核的优势,也就是说一个进程内的多个线程只能使用一个CPU。
def coroutine(func):
def ret():
f = func()
f.next()
return f
return ret
@coroutine
def consumer():
print "Wait to getting a task"
while True:
n = (yield)
print "Got %s",n
import time
def producer():
c = consumer()
task_id = 0
while True:
time.sleep(1)
print "Send a task to consumer" % task_id
c.send("task %s" % task_id)
if __name__ == "__main__":
producer()
结果:
Wait to getting a task
Send a task 0 to consumer
Got task 0
Send a task 1 to consumer
Got task 1
Send a task 2 to consumer
Got task 2
...
传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息,一个线程取消息,通过锁机制控制队列和等待,但容易死锁。
如果改用协程,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,效率极高。
Gevent
介绍
gevent是基于协程的Python网络库。特点:
- 基于libev的快速事件循环(Linux上epoll,FreeBSD上kqueue)。
- 基于greenlet的轻量级执行单元。
- API的概念和Python标准库一致(如事件,队列)。
- 可以配合socket,ssl模块使用。
- 能够使用标准库和第三方模块创建标准的阻塞套接字(gevent.monkey)。
- 默认通过线程池进行DNS查询,也可通过c-are(通过GEVENT_RESOLVER=ares环境变量开启)。
- TCP/UDP/HTTP服务器
- 子进程支持(通过gevent.subprocess)
- 线程池
安装和依赖
依赖于greenlet library
支持python 2.6+ 、3.3+
核心部分
- Greenlets
- 同步和异步执行
- 确定性
- 创建Greenlets
- Greenlet状态
- 程序停止
- 超时
- 猴子补丁
####Greenlets
gevent中的主要模式, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 全部运行在主程序操作系统进程的内部,但它们被程序员协作式地调度。
在任何时刻,只有一个协程在运行。
区别于multiprocessing、threading等提供真正并行构造的库, 这些库轮转使用操作系统调度的进程和线程,是真正的并行。
同步和异步执行
并发的核心思想在于,大的任务可以分解成一系列的子任务,后者可以被调度成 同时执行或异步执行,而不是一次一个地或者同步地执行。两个子任务之间的 切换也就是上下文切换。
在gevent里面,上下文切换是通过yielding来完成的.
执行结果:
代码执行过程:
网络延迟或IO阻塞隐式交出greenlet上下文的执行权。
执行结果:
同步vs异步
执行结果:
确定性
greenlet具有确定性。在相同配置相同输入的情况下,它们总是会产生相同的输出。
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执行结果:
即使gevent通常带有确定性,当开始与如socket或文件等外部服务交互时, 不确定性也可能溜进你的程序中。因此尽管gevent线程是一种“确定的并发”形式, 使用它仍然可能会遇到像使用POSIX线程或进程时遇到的那些问题。
涉及并发长期存在的问题就是竞争条件(race condition)(当两个并发线程/进程都依赖于某个共享资源同时都尝试去修改它的时候, 就会出现竞争条件),这会导致资源修改的结果状态依赖于时间和执行顺序。 这个问题,会导致整个程序行为变得不确定。
解决办法: 始终避免所有全局的状态.
创建Greenlets
gevent对Greenlet初始化提供了一些封装.
执行结果:
除使用基本的Greenlet类之外,你也可以子类化Greenlet类,重载它的_run方法。
执行结果:
Greenlet状态
greenlet的状态通常是一个依赖于时间的参数:
- started – Boolean, 指示此Greenlet是否已经启动
- ready() – Boolean, 指示此Greenlet是否已经停止
- successful() – Boolean, 指示此Greenlet是否已经停止而且没抛异常
- value – 任意值, 此Greenlet代码返回的值
- exception – 异常, 此Greenlet内抛出的未捕获异常
程序停止
程序
当主程序(main program)收到一个SIGQUIT信号时,不能成功做yield操作的 Greenlet可能会令意外地挂起程序的执行。这导致了所谓的僵尸进程, 它需要在Python解释器之外被kill掉。
通用的处理模式就是在主程序中监听SIGQUIT信号,调用gevent.shutdown退出程序。
超时
通过超时可以对代码块儿或一个Greenlet的运行时间进行约束。
超时类
另外,对各种Greenlet和数据结构相关的调用,gevent也提供了超时参数。
执行结果:
猴子补丁(Monkey patching)
gevent的死角.
执行结果:
Python的运行环境允许我们在运行时修改大部分的对象,包括模块,类甚至函数。 这是个一般说来令人惊奇的坏主意,因为它创造了“隐式的副作用”,如果出现问题 它很多时候是极难调试的。虽然如此,在极端情况下当一个库需要修改Python本身 的基础行为的时候,猴子补丁就派上用场了。在这种情况下,gevent能够修改标准库里面大部分的阻塞式系统调用,包括socket、ssl、threading和 select等模块,而变为协作式运行。
例如,Redis的python绑定一般使用常规的tcp socket来与redis-server实例通信。 通过简单地调用gevent.monkey.patch_all(),可以使得redis的绑定协作式的调度 请求,与gevent栈的其它部分一起工作。
这让我们可以将一般不能与gevent共同工作的库结合起来,而不用写哪怕一行代码。 虽然猴子补丁仍然是邪恶的(evil),但在这种情况下它是“有用的邪恶(useful evil)”。
数据结构
- 事件
- 队列
- 组和池
- 锁和信号量
- 线程局部变量
- 子进程
- Actors
事件
事件(event)是一个在Greenlet之间异步通信的形式。1234567891011121314151617181920212223242526import geventfrom gevent.event import Eventevt = Event()def setter():print('A: Hey wait for me, I have to do something')gevent.sleep(3)print("Ok, I'm done")evt.set()def waiter():print("I'll wait for you")evt.wait() # blockingprint("It's about time")def main():gevent.joinall([gevent.spawn(setter),gevent.spawn(waiter),gevent.spawn(waiter),gevent.spawn(waiter)])if __name__ == '__main__':main()
执行结果:
事件对象的一个扩展是AsyncResult,它允许你在唤醒调用上附加一个值。 它有时也被称作是future或defered,因为它持有一个指向将来任意时间可设置为任何值的引用。
队列
队列是一个排序的数据集合,它有常见的put / get操作, 但是它是以在Greenlet之间可以安全操作的方式来实现的。
执行结果:
put和get操作都是阻塞的,put_nowait和get_nowait不会阻塞, 然而在操作不能完成时抛出gevent.queue.Empty或gevent.queue.Full异常。
组和池
组(group)是一个运行中greenlet集合,集合中的greenlet像一个组一样会被共同管理和调度。 它也兼饰了像Python的multiprocessing库那样的平行调度器的角色,主要用在在管理异步任务的时候进行分组。
执行结果:
池(pool)是一个为处理数量变化并且需要限制并发的greenlet而设计的结构。
执行结果:
构造一个socket池的类,在各个socket上轮询。
锁和信号量
信号量是一个允许greenlet相互合作,限制并发访问或运行的低层次的同步原语。 信号量有两个方法,acquire和release。在信号量是否已经被 acquire或release,和拥有资源的数量之间不同,被称为此信号量的范围 (the bound of the semaphore)。如果一个信号量的范围已经降低到0,它会 阻塞acquire操作直到另一个已经获得信号量的greenlet作出释放。
执行结果:
锁(lock)是范围为1的信号量。它向单个greenlet提供了互斥访问。 信号量和锁常被用来保证资源只在程序上下文被单次使用。
线程局部变量
Gevent允许程序员指定局部于greenlet上下文的数据。 在内部,它被实现为以greenlet的getcurrent()为键, 在一个私有命名空间寻址的全局查找。
执行结果:
很多集成了gevent的web框架将HTTP会话对象以线程局部变量的方式存储在gevent内。 例如使用Werkzeug实用库和它的proxy对象,我们可以创建Flask风格的请求对象。
子进程
从gevent 1.0起,支持gevent.subprocess,支持协作式的等待子进程。
cron
cron
cron
cron
cron
Linux
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然而要注意,组合multiprocessing和gevent必定带来 依赖于操作系统(os-dependent)的缺陷,其中有:
在兼容POSIX的系统创建子进程(forking)之后, 在子进程的gevent的状态是不适定的(ill-posed)。一个副作用就是, multiprocessing.Process创建之前的greenlet创建动作,会在父进程和子进程两方都运行。
上例的put_msg()中的a.send()可能依然非协作式地阻塞调用的线程:一个 ready-to-write事件只保证写了一个byte。在尝试写完成之前底下的buffer可能是满的。
上面表示的基于wait_write()/wait_read()的方法在Windows上不工作 (IOError: 3 is not a socket (files are not supported)),因为Windows不能监视 pipe事件。
Python包gipc以大体上透明的方式在 兼容POSIX系统和Windows上克服了这些挑战。它提供了gevent感知的基于 multiprocessing.Process的子进程和gevent基于pipe的协作式进程间通信。
Actors
actor模型是一个由于Erlang变得普及的更高层的并发模型。 简单的说它的主要思想就是许多个独立的Actor,每个Actor有一个可以从 其它Actor接收消息的收件箱。Actor内部的主循环遍历它收到的消息,并根据它期望的行为来采取行动。
Gevent没有原生的Actor类型,但在一个子类化的Greenlet内使用队列, 我们可以定义一个非常简单的。
下面是一个使用的例子:
实际应用
- Gevent ZeroMQ
- 简单server
- WSGI Servers
- 流式server
- Long Polling
- Websockets
简单server
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WSGI Servers And Websockets
Gevent为HTTP内容服务提供了两种WSGI server。从今以后就称为 wsgi和pywsgi:
- gevent.wsgi.WSGIServer
- gevent.pywsgi.WSGIServer
glb中使用
缺陷
和其他异步I/O框架一样,gevent也有一些缺陷:
- 阻塞(真正的阻塞,在内核级别)在程序中的某个地方停止了所有的东西.这很像C代码中monkey patch没有生效
- 保持CPU处于繁忙状态.greenlet不是抢占式的,这可能导致其他greenlet不会被调度.
- 在greenlet之间存在死锁的可能.
一个gevent回避的缺陷是,你几乎不会碰到一个和异步无关的Python库–它将阻塞你的应用程序,因为纯Python库使用的是monkey patch的stdlib.