Python协程、异步IO

本节内容

Gevent协程
Select\Poll\Epoll异步IO与事件驱动
Python连接Mysql数据库操作
RabbitMQ队列
Redis\Memcached缓存
Paramiko SSH
Twsited网络框架

引子

到目前为止，我们已经学了网络并发编程的2个套路，多进程，多线程，这哥俩的优势和劣势都非常的明显，我们一起来回顾下

协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。一句话说明什么是线程：协程是一种用户态的轻量级线程。

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此：

协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。

协程的好处：

无需线程上下文切换的开销
无需原子操作锁定及同步的开销
- 　　"原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序是不可以被打乱，或者切割掉只执行部分。视作整体是原子性的核心。
方便切换控制流，简化编程模型
高并发+高扩展性+低成本：一个CPU支持上万的协程都不是问题。所以很适合用于高并发处理。

缺点：

无法利用多核资源：协程的本质是个单线程,它不能同时将单个CPU 的多个核用上,协程需要和进程配合才能运行在多CPU上.当然我们日常所编写的绝大部分应用都没有这个必要，除非是cpu密集型应用。
进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

使用yield实现协程操作例子　　　　

import time

import queue

def consumer(name):

print("--->starting eating baozi...")

while True:

new_baozi = yield

print("[%s] is eating baozi %s" % (name,new_baozi))

#time.sleep(1)

def producer():

r = con.__next__()

r = con2.__next__()

n = 0

while n < 5:

n +=1

con.send(n)

con2.send(n)

print("\033[32;1m[producer]\033[0m is making baozi %s" %n )

if __name__ == '__main__':

con = consumer("c1")

con2 = consumer("c2")

p = producer()

看楼上的例子，我问你这算不算做是协程呢？你说，我他妈哪知道呀，你前面说了一堆废话，但是并没告诉我协程的标准形态呀，我腚眼一想，觉得你说也对，那好，我们先给协程一个标准定义，即符合什么条件就能称之为协程：

必须在只有一个单线程里实现并发
修改共享数据不需加锁
用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程

基于上面这4点定义，我们刚才用yield实现的程并不能算是合格的线程，因为它有一点功能没实现，哪一点呢？

Greenlet

greenlet是一个用C实现的协程模块，相比与python自带的yield，它可以使你在任意函数之间随意切换，而不需把这个函数先声明为generator

# -*- coding:utf-8 -*-

from greenlet import greenlet

def test1():

print(12)

gr2.switch()

print(34)

gr2.switch()

def test2():

print(56)

gr1.switch()

print(78)

gr1 = greenlet(test1)

gr2 = greenlet(test2)

gr1.switch()

感觉确实用着比generator还简单了呢，但好像还没有解决一个问题，就是遇到IO操作，自动切换，对不对？

Gevent

Gevent 是一个第三方库，可以轻松通过gevent实现并发同步或异步编程，在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 Greenlet全部运行在主程序操作系统进程的内部，但它们被协作式地调度。

import gevent

def func1():

print('\033[31;1m李闯在跟海涛搞...\033[0m')

gevent.sleep(2)

print('\033[31;1m李闯又回去跟继续跟海涛搞...\033[0m')

def func2():

print('\033[32;1m李闯切换到了跟海龙搞...\033[0m')

gevent.sleep(1)

print('\033[32;1m李闯搞完了海涛，回来继续跟海龙搞...\033[0m')

gevent.joinall([

gevent.spawn(func1),

gevent.spawn(func2),

#gevent.spawn(func3),

])

输出：

李闯在跟海涛搞...
李闯切换到了跟海龙搞...
李闯搞完了海涛，回来继续跟海龙搞...
李闯又回去跟继续跟海涛搞...

同步与异步的性能区别

上面程序的重要部分是将task函数封装到Greenlet内部线程的gevent.spawn。初始化的greenlet列表存放在数组threads中，此数组被传给gevent.joinall 函数，后者阻塞当前流程，并执行所有给定的greenlet。执行流程只会在所有greenlet执行完后才会继续向下走。　　

遇到IO阻塞时会自动切换任务

from gevent import monkey; monkey.patch_all()

import gevent

from urllib.request import urlopen

def f(url):

print('GET: %s' % url)

resp = urlopen(url)

data = resp.read()

print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))

gevent.joinall([

gevent.spawn(f, 'https://www.python.org/'),

gevent.spawn(f, 'https://www.yahoo.com/'),

gevent.spawn(f, 'https://github.com/'),

])

通过gevent实现单线程下的多socket并发

server side

import sys

import socket

import time

import gevent

from gevent import socket,monkey

monkey.patch_all()

def server(port):

s = socket.socket()

s.bind(('0.0.0.0', port))

s.listen(500)

while True:

cli, addr = s.accept()

gevent.spawn(handle_request, cli)

def handle_request(conn):

try:

while True:

data = conn.recv(1024)

print("recv:", data)

conn.send(data)

if not data:

conn.shutdown(socket.SHUT_WR)

except Exception as ex:

print(ex)

finally:

conn.close()

if __name__ == '__main__':

server(8001)

client side 　　

import socket

HOST = 'localhost' # The remote host

PORT = 8001 # The same port as used by the server

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

s.connect((HOST, PORT))

while True:

msg = bytes(input(">>:"),encoding="utf8")

s.sendall(msg)

data = s.recv(1024)

#print(data)

print('Received', repr(data))

s.close()

import socket
import threading
 
def sock_conn():
 
    client = socket.socket()
 
    client.connect(("localhost",8001))
    count = 0
    while True:
        #msg = input(">>:").strip()
        #if len(msg) == 0:continue
        client.send( ("hello %s" %count).encode("utf-8"))
 
        data = client.recv(1024)
 
        print("[%s]recv from server:" % threading.get_ident(),data.decode()) #结果
        count +=1
    client.close()
 
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=sock_conn)
    t.start()

论事件驱动与异步IO

通常，我们写服务器处理模型的程序时，有以下几种模型：

（1）每收到一个请求，创建一个新的进程，来处理该请求；

（2）每收到一个请求，创建一个新的线程，来处理该请求；

（3）每收到一个请求，放入一个事件列表，让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求

上面的几种方式，各有千秋，

第（1）中方法，由于创建新的进程的开销比较大，所以，会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。

第（2）种方式，由于要涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。

第（3）种方式，在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂。

综合考虑各方面因素，一般普遍认为第（3）种方式是大多数网络服务器采用的方式

看图说话讲事件驱动模型

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？
方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：
1. CPU资源浪费，可能鼠标点击的频率非常小，但是扫描线程还是会一直循环检测，这会造成很多的CPU资源浪费；如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢？
2. 如果是堵塞的，又会出现下面这样的问题，如果我们不但要扫描鼠标点击，还要扫描键盘是否按下，由于扫描鼠标时被堵塞了，那么可能永远不会去扫描键盘；
3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多，这又会引来响应时间的问题；
所以，该方式是非常不好的。

方式二：就是事件驱动模型
目前大部分的UI编程都是事件驱动模型，如很多UI平台都会提供onClick()事件，这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下：
1. 有一个事件（消息）队列；
2. 鼠标按下时，往这个队列中增加一个点击事件（消息）；
3. 有个循环，不断从队列取出事件，根据不同的事件，调用不同的函数，如onClick()、onKeyDown()等；
4. 事件（消息）一般都各自保存各自的处理函数指针，这样，每个消息都有独立的处理函数；

事件驱动编程是一种编程范式，这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环，当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是（单线程）同步以及多线程编程。

让我们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展示了随着时间的推移，这三种模式下程序所做的工作。这个程序有3个任务需要完成，每个任务都在等待I/O操作时阻塞自身。阻塞在I/O操作上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

在单线程同步模型中，任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞，其他所有的任务都必须等待，直到它完成之后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。如果任务之间并没有互相依赖的关系，但仍然需要互相等待的话这就使得程序不必要的降低了运行速度。

在多线程版本中，这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操作系统来管理，在多处理器系统上可以并行处理，或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比，这种方式更有效率，但程序员必须写代码来保护共享资源，防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断，因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题，如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

在事件驱动版本的程序中，3个任务交错执行，但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其他昂贵的操作时，注册一个回调到事件循环中，然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件，当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为，因为程序员不需要关心线程安全问题。

当我们面对如下的环境时，事件驱动模型通常是一个好的选择：

程序中有许多任务，而且…
任务之间高度独立（因此它们不需要互相通信，或者等待彼此）而且…
在等待事件到来时，某些任务会阻塞。

当应用程序需要在任务间共享可变的数据时，这也是一个不错的选择，因为这里不需要采用同步处理。

网络应用程序通常都有上述这些特点，这使得它们能够很好的契合事件驱动编程模型。

此处要提出一个问题，就是，上面的事件驱动模型中，只要一遇到IO就注册一个事件，然后主程序就可以继续干其它的事情了，只到io处理完毕后，继续恢复之前中断的任务，这本质上是怎么实现的呢？哈哈，下面我们就来一起揭开这神秘的面纱。。。。

Select\Poll\Epoll异步IO　

http://www.cnblogs.com/alex3714/p/4372426.html　

番外篇 http://www.cnblogs.com/alex3714/articles/5876749.html

select 多并发socket 例子

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Alex Li'
 
import select
import socket
import sys
import queue
 
server = socket.socket()
server.setblocking(0)
 
server_addr = ('localhost',10000)
 
print('starting up on %s port %s' % server_addr)
server.bind(server_addr)
 
server.listen(5)
 
inputs = [server, ] #自己也要监测呀,因为server本身也是个fd
outputs = []
 
message_queues = {}
 
while True:
    print("waiting for next event...")
 
    readable, writeable, exeptional = select.select(inputs,outputs,inputs) #如果没有任何fd就绪,那程序就会一直阻塞在这里
 
    for s in readable: #每个s就是一个socket
 
        if s is server: #别忘记,上面我们server自己也当做一个fd放在了inputs列表里,传给了select,如果这个s是server,代表server这个fd就绪了,
            #就是有活动了, 什么情况下它才有活动? 当然 是有新连接进来的时候 呀
            #新连接进来了,接受这个连接
            conn, client_addr = s.accept()
            print("new connection from",client_addr)
            conn.setblocking(0)
            inputs.append(conn) #为了不阻塞整个程序,我们不会立刻在这里开始接收客户端发来的数据, 把它放到inputs里, 下一次loop时,这个新连接
            #就会被交给select去监听,如果这个连接的客户端发来了数据 ,那这个连接的fd在server端就会变成就续的,select就会把这个连接返回,返回到
            #readable 列表里,然后你就可以loop readable列表,取出这个连接,开始接收数据了, 下面就是这么干 的
 
            message_queues[conn] = queue.Queue() #接收到客户端的数据后,不立刻返回 ,暂存在队列里,以后发送
 
        else: #s不是server的话,那就只能是一个 与客户端建立的连接的fd了
            #客户端的数据过来了,在这接收
            data = s.recv(1024)
            if data:
                print("收到来自[%s]的数据:" % s.getpeername()[0], data)
                message_queues[s].put(data) #收到的数据先放到queue里,一会返回给客户端
                if s not  in outputs:
                    outputs.append(s) #为了不影响处理与其它客户端的连接 , 这里不立刻返回数据给客户端
 
            else:#如果收不到data代表什么呢? 代表客户端断开了呀
                print("客户端断开了",s)
 
                if s in outputs:
                    outputs.remove(s) #清理已断开的连接
 
                inputs.remove(s) #清理已断开的连接
 
                del message_queues[s] ##清理已断开的连接
 
    for s in writeable:
        try :
            next_msg = message_queues[s].get_nowait()
 
        except queue.Empty:
            print("client [%s]" %s.getpeername()[0], "queue is empty..")
            outputs.remove(s)
 
        else:
            print("sending msg to [%s]"%s.getpeername()[0], next_msg)
            s.send(next_msg.upper())
 
    for s in exeptional:
        print("handling exception for ",s.getpeername())
        inputs.remove(s)
        if s in outputs:
            outputs.remove(s)
        s.close()
 
        del message_queues[s]

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Alex Li'
 
import socket
import sys
 
messages = [ b'This is the message. ',
             b'It will be sent ',
             b'in parts.',
             ]
server_address = ('localhost', 10000)
 
# Create a TCP/IP socket
socks = [ socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM),
          socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM),
          ]
 
# Connect the socket to the port where the server is listening
print('connecting to %s port %s' % server_address)
for s in socks:
    s.connect(server_address)
 
for message in messages:
 
    # Send messages on both sockets
    for s in socks:
        print('%s: sending "%s"' % (s.getsockname(), message) )
        s.send(message)
 
    # Read responses on both sockets
    for s in socks:
        data = s.recv(1024)
        print( '%s: received "%s"' % (s.getsockname(), data) )
        if not data:
            print(sys.stderr, 'closing socket', s.getsockname() )

selectors模块

This module allows high-level and efficient I/O multiplexing, built upon the select module primitives. Users are encouraged to use this module instead, unless they want precise control over the OS-level primitives used.

import selectors

import socket

sel = selectors.DefaultSelector()

def accept(sock, mask):

conn, addr = sock.accept() # Should be ready

print('accepted', conn, 'from', addr)

conn.setblocking(False)

sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read)

def read(conn, mask):

data = conn.recv(1000) # Should be ready

if data:

print('echoing', repr(data), 'to', conn)

conn.send(data) # Hope it won't block

else:

print('closing', conn)

sel.unregister(conn)

conn.close()

sock = socket.socket()

sock.bind(('localhost', 10000))

sock.listen(100)

sock.setblocking(False)

sel.register(sock, selectors.EVENT_READ, accept)

while True:

events = sel.select()

for key, mask in events:

callback = key.data

callback(key.fileobj, mask)