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Python中的协程详解

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2023-07-30
Python是一种广受欢迎的编程语言,因其简单易学、适用范围广泛等优势而被广泛使用。其中,协程是Python中非常重要的一个概念,也是Python异步IO编程的基础之一。本文将对Python中的协

Python是一种广受欢迎的编程语言,因其简单易学、适用范围广泛等优势而被广泛使用。其中,协程是Python中非常重要的一个概念,也是Python异步IO编程的基础之一。本文将对Python中的协程进行详解。

一、 什么是协程

协程(Coroutine)是一种用户态轻量级线程,相对于操作系统的线程而言,它更加轻便。它是由程序员在程序中自行实现的,因此不需要切换上下文的开销,协程的切换由程序自身完成,不需要外部干预,而且可以减少线程的创建,更高效地利用CPU资源。

协程的特点:

  1. 可以在同一线程中并发运行,切换开销很小,因此支持高并发。
  2. 协程的状态由程序员自己管理,相比线程更轻量级。

二、协程的实现

Python中实现协程的方法有三种:生成器、async/await和结合gevent使用。下面我们逐一进行介绍。

  1. 生成器

Python中的生成器本身就具有状态保存和恢复的功能,非常适合用来实现协程。生成器协程的最大特点在于使用yield语句来挂起函数并保存函数状态。

下面是一个协程的示例:

def simple_coroutine():
    print('-> coroutine started')
    x = yield
    print('-> coroutine received:', x)

# 调用协程
my_coroutine = simple_coroutine()
print(my_coroutine)  # <generator object simple_coroutine at 0x7f6b25c43eb0>

# 先启动协程,让协程处于暂停状态。
next(my_coroutine)  # -> coroutine started

# 发送消息给协程,它会恢复执行,并打印出消息
my_coroutine.send('hello world')  # -> coroutine received: hello world

在这个例子中,函数simple_coroutine中包含一个yield表达式,这是生成器协程的标志,当该函数被调用时,它会返回一个生成器对象。程序通过调用方法next()将生成器推进到第一个yield语句处,并打印出了”-> coroutine started”这一消息。然后,我们给生成器发送了一段消息“hello world”,这个消息被捕获到了变量x中,并打印出了”-> coroutine received: hello world”。

  1. async/await

在Python 3.5版本以后,Python提供了原生的支持协程的语法async/await。它提供了更简洁的语法,更好的可读性。

下面是一个async/await的示例:

import asyncio

async def countdown(n):
    while n > 0:
        print(f'T-minus {n}')
        await asyncio.sleep(1.0)
        n -= 1

asyncio.run(countdown(3))

在这个例子中,async/await允许我们在函数中使用关键字async来定义协程,使用await来挂起协程。当然,为了使用async/await语法,我们需要使用asyncio库。

  1. 结合gevent使用

gevent是一个基于协程的Python网络库,它提供了一种基于yield的编程模型,允许程序员编写异步,非阻塞代码,且易于编写和测试。为了使用gevent,我们需要通过pip先安装。

下面是一个使用gevent的示例:

import gevent

def task(pid):
    """
    函数中的sleep模拟阻塞一段时间,通过gevent中的异步框架进行并发。
    """
    gevent.sleep(0.5)
    print(f'Task {pid} done')

def synchronous():
    """
    任务同步执行
    """
    for i in range(1, 10):
        task(i)

def asynchronous():
    """
    任务异步执行
    """
    threads = [gevent.spawn(task, i) for i in range(10)]
    gevent.joinall(threads)

print('Synchronous:')
synchronous()

print('Asynchronous:')
asynchronous()

在这个示例中,我们使用gevent框架来实现异步协程。通过这个示例,我们可以很明显地看到,在异步执行时,任务是交替进行的,利用了协程异步的特性。而在同步执行时,我们可以看到任务是逐个执行的。

三、协程的优缺点

优点:

  1. 协程默认是单线程执行,避免了多线程切换时产生的开销,提高了程序执行速度。
  2. 协程可以避免多进程的GIL(Global Interpreter Lock)问题,提高了程序效率。
  3. 协程可以无限创建,而线程和进程的数量是有限的,但是开启过多的协程也会带来性能问题。

缺点:

  1. 协程较为特殊,需要程序员自己手动来控制程序运行状态,其复杂性相对较高,需要付出更多的努力。
  2. 协程代码本身没有错误处理机制,导致代码的异常处理和调试变得更加困难。

四、总结

本篇文章详细介绍了Python中协程的概念、实现方法及其优缺点。协程是Python中非常重要的一个概念,也是异步IO编程的基础之一。通过协程,我们可以在同一线程中并发运行业务,提高程序执行效率,避免了大量的上下文切换开销,极大的节省了系统资源。但是,协程也存在一些缺点,例如对程序员编程能力要求较高,以及错误处理机制不完善等问题,这些问题需要程序员在使用协程时加以留意。

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