深入理解 Python 协程

一、协程简介

协程(Coroutine),也称为微线程、纤程。英文名Coroutine。协程是一种用户态的轻量级线程,协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。当协程调度切换时,将寄存器上下文和栈保存到其他地方,在切回来的时就恢复先前保存的寄存器上下文和栈,直接操作栈则基本没有内核切换的开销,可以不加锁的访问全局变量,所以上下文的切换非常快。

Python中的协程有多种实现方式,包括但不限于生成器、greenlet、asyncio库等。在Python 3.5之后,Python添加了新的语法 asyncawait ,使得协程的编写更加简单。以下是一个简单的协程示例:

python
复制代码
async def hello():
    print("Hello world!")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Hello again!")

# Get a reference to the event loop as we plan to use
# low-level APIs.
loop = asyncio.get_event_loop()

# "hello" coroutine returns immediately because it is await'ed instantly.
#
# Therefore, "hello_task" is scheduled to run soon.
hello_task = loop.create_task(hello())

# "gather" returns when all the scheduled tasks are done.
loop.run_until_complete(hello_task)

二、协程与生成器的关系

在Python中,协程和生成器有着紧密的联系。实际上,协程就是通过生成器实现的。当我们使用yield语句时,我们就在创建一个生成器。而当我们使用yield from语句时,我们就在创建一个协程。

python
复制代码
# A generator function
def countdown(n):
    while n > 0:
        yield n
        n -= 1

# A coroutine function
def countup(n):
    x = 0
    while x < n:
        yield from countdown(x)
        x += 1

在上面的代码中,countdown是一个生成器函数,而countup是一个协程函数。countup函数会生成一系列的数字,从0到n-1。每次调用countup,它都会调用countdown生成器,并等待它完成。

三、协程的优势和应用场景

协程有很多优点,主要表现在以下几个方面:

  • 资源开销小:协程是在用户态调度的,不涉及系统调用,也就是说,创建、切换和销毁协程所消耗的资源远少于进程和线程。
  • 代码简洁易读:使用协程编写的代码,可以避免回调地狱,使得代码更加简洁,逻辑更加清晰。同时,协程的设计使得我们可以更加容易地处理并发和并行编程中的问题。
  • 高效的IO操作:协程最常用的场景就是IO操作。协程可以在IO操作时主动出让控制权,从而避免了不必要的阻塞和等待。

让我们看一个使用协程处理IO的例子:

python
复制代码
async def download(url):
    response = await aiohttp.request('GET', url)
    return await response.text()

async def download_all(urls):
    tasks = [download(url) for url in urls]
    return await asyncio.gather(*tasks)

urls = ['http://example.com', 'http://example.org', 'http://example.net']
loop = asyncio.get_event_loop()
htmls = loop.run_until_complete(download_all(urls))

在这个例子中,download协程会异步下载网页,并返回其文本内容。download_all协程会异步下载一系列网页,并返回一个包含所有文本内容的列表。

协程通常在以下场景中使用:

  • 网络爬虫:通过协程,我们可以在下载一个网页时同时下载其他网页,大大提高爬虫的效率。
  • 实时数据处理:协程可以处理实时的数据流,例如股票数据、社交媒体数据等。
  • 网络服务器:像Tornado和Sanic这样的Python网络服务器,就是通过协程实现的。

四、如何正确使用协程

理解了协程的原理和优势后,我们再来看看如何正确地使用协程。

首先,我们需要创建协程对象。协程对象是通过协程函数创建的。协程函数是包含async def关键字的函数:

python
复制代码
async def my_coroutine():
    return 123

然后,我们需要通过事件循环来驱动协程:

python
复制代码
coro = my_coroutine()
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(coro)

run_until_complete方法会阻塞当前线程,直到传入的协程运行完毕。

在协程中,我们可以使用await关键字来等待其他协程的完成。例如,下面的代码创建了一个协程,它会先等待asyncio.sleep(1)协程,然后输出"Hello, world":

python
复制代码
async def hello():
    await asyncio.sleep(1)
    print("Hello, world!")

这就是Python中协程的基本用法。协程是Python异步编程的核心,理解了协程,我们就能更好地理解和使用Python的异步编程特性。

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