Python协程知多少

时间：2021-11-11 22:41:14

Python协程知多少

从概念上来说，我们都知道多进程和多线程，而协程其实是在单线程中实现多并发。从句法上看，协程与生成器类似，都是定义体中包含yield关键字的函数。区别在于协程的yield通常出现在表达式的右边：datum = yield。这一下就让初学者瞬间觉得yield关键字不香了，本来以为yield就是简简单单的暂停执行顺手返回个值，结果还能放右边?

从生成器到协程

先看一个可能是协程最简单的使用示例：

  1. >>> def simple_coroutine():
  2. ... print("-> coroutine started")
  3. ... x = yield
  4. ... print("-> coroutine received:", x)
  5. ...
  6. >>> my_coro = simple_coroutine()
  7. >>> my_coro
  8. at 0x0000019A681F27B0>
  9. >>> next(my_coro)
  10. -> coroutine started
  11. >>> my_coro.send(42)
  12. -> coroutine received: 42
  13. Traceback (most recent call last):
  14. File "", line 1, in
  15. StopIteration

之所以yield可以放右边，是因为协程可以接收调用方使用.send()推送的值。

yield放在右边以后，它的右边还能再放个表达式，请看下面这个例子：

  1. def simple_coro2(a):
  2. b = yield a
  3. c = yield a + b
  4.  
  5. my_coro2 = simple_coro2(14)
  6. next(my_coro2)
  7. my_coro2.send(28)
  8. my_coro2.send(99)

执行过程是：

  • 调用next(my_coro2)，执行yield a，产出14。
  • 调用my_coro2.send(28)，把28赋值给b，然后执行yield a + b，产出42。
  • 调用my_coro2.send(99)，把99赋值给c，协程终止。

由此得出结论，对于b = yield a这行代码来说，= 右边的代码在赋值之前执行。

在示例中，需要先调用next(my_coro)启动生成器，让程序在yield语句处暂停，然后才可以发送数据。这是因为协程有四种状态：

  • 'GEN_CREATED' 等待开始执行
  • 'GEN_RUNNING' 解释器正在执行
  • 'GEN_SUSPENDED' 在yield表达式处暂停
  • 'GEN_CLOSED' 执行结束

只有在GEN_SUSPENDED状态才能发送数据，提前做的这一步叫做预激，既可以调用next(my_coro)预激，也可以调用my_coro.send(None)预激，效果一样。

预激协程

协程必须预激才能使用，也就是send前，先调用next，让协程处于GEN_SUSPENDED状态。但是这件事经常会忘记。为了避免忘记，可以定义一个预激装饰器，比如：

  1. from functools import wraps
  2.  
  3. def coroutine(func):
  4. @wraps(func)
  5. def primer(*args, **kwargs):
  6. gen = func(*args, **kwargs)
  7. next(gen)
  8. return gen
  9. return primer

但实际上Python给出了一个更优雅的方式，叫做yield from，它会自动预激协程。

自定义预激装饰器和yield from是不兼容的。

yield from

yield from相当于其他语言中的await关键字，作用是：在生成器gen中使用yield from subgen()时，subgen会获得控制权，把产出的值传给gen的调用方，即调用方可以直接控制subgen。与此同时，gen会阻塞，等待subgen终止。

yield from可以用来简化for循环中的yield：

  1. for c in "AB":
  2. yield c
  3. yield from "AB"

yield from x表达式对x做的第一件事就是，调用iter(x)，从中获取迭代器。

但yield from的作用远不止于此，它更重要的作用是打开双向通道。如下图所示：

Python协程知多少

这个图信息量很大，很难理解。

首先要理解这3个概念：调用方、委派生成器、子生成器。

  • 调用方

说白了就是main函数，也就是众所周知的程序入口main函数。

  1. # the client code, a.k.a. the caller
  2. def main(data): # <8>
  3. results = {}
  4. for key, values in data.items():
  5. group = grouper(results, key) # <9>
  6. next(group) # <10>
  7. for value in values:
  8. group.send(value) # <11>
  9. group.send(None) # important! <12>
  10.  
  11. # print(results) # uncomment to debug
  12. report(results)
  • 委派生成器

就是包含了yield from语句的函数，也就是协程。

  1. # the delegating generator
  2.  
  3. def grouper(results, key): # <5>
  4.  
  5. while True: # <6>
  6.  
  7. results[key] = yield from averager() # <7>
  • 子生成器

就是yield from语句右边跟着的子协程。

  1. # the subgenerator
  2. def averager(): # <1>
  3. total = 0.0
  4. count = 0
  5. average = None
  6. while True:
  7. term = yield # <2>
  8. if term is None: # <3>
  9. break
  10. total += term
  11. count += 1
  12. average = total/count
  13. return Result(count, average) # <4>

这比术语看着舒服多了。

然后是5条线：send、yield、throw、StopIteration、close。

  • send

协程在yield from表达式处暂停时，main函数可以通过yield from表达式把数据发给yield from语句右边跟着的子协程。

  • yield

yield from语句右边跟着的子协程再把产出的值通过yield from表达式发给main函数。

  • throw

main函数通过group.send(None)，传入一个None值，让yield from语句右边跟着的子协程的while循环终止，这样控制权才会交回协程，才能继续执行，否则会一直暂在yield from语句暂停。

  • StopIteration

yield from语句右边跟着的生成器函数返回之后，解释器会抛出StopIteration异常。并把返回值附加到异常对象上，此时协程会恢复。

  • close

main函数执行完以后，会调用close()方法退出协程。

大体流程搞清楚了，更多的技术细节就不继续研究了，有时间的话，在以后的Python原理系列中再学习吧。

yield from经常与Python3.4标准库里的@asyncio.coroutine装饰器结合使用。

协程用作累加器

这是协程的常见用途，代码如下：

  1. def averager():
  2. total = 0.0
  3. count = 0
  4. average = None
  5. while True: # <1>
  6. term = yield average # <2>
  7. total += term
  8. count += 1
  9. average = total/count

协程实现并发

这里例子有点复杂，源码地址是：

https://github.com/fluentpython/example-code/blob/master/16-coroutine/taxi_sim.py

核心代码片段是：

  1. # BEGIN TAXI_PROCESS
  2. def taxi_process(ident, trips, start_time=0): # <1>
  3. """Yield to simulator issuing event at each state change"""
  4. time = yield Event(start_time, ident, 'leave garage') # <2>
  5. for i in range(trips): # <3>
  6. time = yield Event(time, ident, 'pick up passenger') # <4>
  7. time = yield Event(time, ident, 'drop off passenger') # <5>
  8.  
  9. yield Event(time, ident, 'going home') # <6>
  10. # end of taxi process # <7>
  11. # END TAXI_PROCESS
  1. def main(end_time=DEFAULT_END_TIME, num_taxis=DEFAULT_NUMBER_OF_TAXIS,
  2. seed=None):
  3. """Initialize random generator, build procs and run simulation"""
  4. if seed is not None:
  5. random.seed(seed) # get reproducible results
  6.  
  7. taxis = {i: taxi_process(i, (i+1)*2, i*DEPARTURE_INTERVAL)
  8. for i in range(num_taxis)}
  9. sim = Simulator(taxis)
  10. sim.run(end_time)

这个示例说明了如何在一个主循环中处理事件，以及如何通过发送数据驱动协程。这是asyncio包底层的基本思想。使用协程代替线程和回调，实现并发。

参考资料：

《流畅的Python》第16章 协程 https://zhuanlan.zhihu.com/p/104918655

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/z3iBvTHigvhlAJ4Cb-J_bQ

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