【11.4】协程是什么？

协程--可以暂停的函数（可以向暂停的地方传入值）

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协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

协程的概念很早就提出来了，但直到最近几年才在某些语言（如Lua）中得到广泛应用。

子程序，或者称为函数，在所有语言中都是层级调用，比如A调用B，B在执行过程中又调用了C，C执行完毕返回，B执行完毕返回，最后是A执行完毕。

所以子程序调用是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序。

子程序调用总是一个入口，一次返回，调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

协程看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序内部可中断，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。

注意，在一个子程序中中断，去执行其他子程序，不是函数调用，有点类似CPU的中断。比如子程序A、B：

1 def A():
2     print ‘1‘
3     print ‘2‘
4     print ‘3‘
5 
6 def B():
7     print ‘x‘
8     print ‘y‘
9     print ‘z‘

 

假设由协程执行，在执行A的过程中，可以随时中断，去执行B，B也可能在执行过程中中断再去执行A，结果可能是：

1 1
2 2
3 x
4 y
5 3
6 z

 

但是在A中是没有调用B的，所以协程的调用比函数调用理解起来要难一些。

看起来A、B的执行有点像多线程，但协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？

最大的优势就是协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。

第二大优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。

因为协程是一个线程执行，那怎么利用多核CPU呢？最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

Python对协程的支持还非常有限，用在generator中的yield可以一定程度上实现协程。虽然支持不完全，但已经可以发挥相当大的威力了。

来看例子：

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，但一不小心就可能死锁。

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：

 1 import time
 2 
 3 def consumer():
 4     r = ‘‘
 5     while True:
 6         n = yield r
 7         if not n:
 8             return
 9         print(‘[CONSUMER] Consuming %s...‘ % n)
10         time.sleep(1)
11         r = ‘200 OK‘
12 
13 def produce(c):
14     c.next()
15     n = 0
16     while n < 5:
17         n = n + 1
18         print(‘[PRODUCER] Producing %s...‘ % n)
19         r = c.send(n)
20         print(‘[PRODUCER] Consumer return: %s‘ % r)
21     c.close()
22 
23 if __name__==‘__main__‘:
24     c = consumer()
25     produce(c)

 

执行结果：

 1 [PRODUCER] Producing 1...
 2 [CONSUMER] Consuming 1...
 3 [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
 4 [PRODUCER] Producing 2...
 5 [CONSUMER] Consuming 2...
 6 [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
 7 [PRODUCER] Producing 3...
 8 [CONSUMER] Consuming 3...
 9 [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
10 [PRODUCER] Producing 4...
11 [CONSUMER] Consuming 4...
12 [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
13 [PRODUCER] Producing 5...
14 [CONSUMER] Consuming 5...
15 [PRODUCER] Consumer return: 200 OK

 

注意到consumer函数是一个generator（生成器），把一个consumer传入produce后：

1. 首先调用c.next()启动生成器；

2. 然后，一旦生产了东西，通过c.send(n)切换到consumer执行；

3. consumer通过yield拿到消息，处理，又通过yield把结果传回；

4. produce拿到consumer处理的结果，继续生产下一条消息；

5. produce决定不生产了，通过c.close()关闭consumer，整个过程结束。

整个流程无锁，由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。

最后套用Donald Knuth的一句话总结协程的特点：

“子程序就是协程的一种特例。”

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