基于协程的Python网络库gevent介绍

python基础

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2018-2-7

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继续Python协程方面的介绍,这次要讲的是gevent,它是一个并发网络库。它的协程是基于greenlet的,并基于libev实现快速事件循环(Linux上是epoll,FreeBSD上是kqueue,Mac OS X上是select)。有了gevent,协程的使用将无比简单,你根本无须像greenlet一样显式的切换,每当一个协程阻塞时,程序将自动调度,gevent处理了所有的底层细节。让我们看个例子来感受下吧。

import gevent
 
def test1():
    print 12
    gevent.sleep(0)
    print 34
 
def test2():
    print 56
    gevent.sleep(0)
    print 78
 
gevent.joinall([
    gevent.spawn(test1),
    gevent.spawn(test2),
])

解释下,”gevent.spawn()”方法会创建一个新的greenlet协程对象,并运行它。”gevent.joinall()”方法会等待所有传入的greenlet协程运行结束后再退出,这个方法可以接受一个”timeout”参数来设置超时时间,单位是秒。运行上面的程序,执行顺序如下:

    1.先进入协程test1,打印12
    2.遇到”gevent.sleep(0)”时,test1被阻塞,自动切换到协程test2,打印56
    3.之后test2被阻塞,这时test1阻塞已结束,自动切换回test1,打印34
    4.当test1运行完毕返回后,此时test2阻塞已结束,再自动切换回test2,打印78
    5.所有协程执行完毕,程序退出
所以,程序运行下来的输出就是:

12
56
34
78

注意,这里与上一篇greenlet中第一个例子运行的结果不一样,greenlet一个协程运行完后,必须显式切换,不然会返回其父协程。而在gevent中,一个协程运行完后,它会自动调度那些未完成的协程。

我们换一个更有意义的例子:

import gevent
import socket
 
urls = ['www.baidu.com', 'www.gevent.org', 'www.python.org']
jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]
gevent.joinall(jobs, timeout=5)
 
print [job.value for job in jobs]

我们通过协程分别获取三个网站的IP地址,由于打开远程地址会引起IO阻塞,所以gevent会自动调度不同的协程。另外,我们可以通过协程对象的”value”属性,来获取协程函数的返回值。

猴子补丁 Monkey patching

细心的朋友们在运行上面例子时会发现,其实程序运行的时间同不用协程是一样的,是三个网站打开时间的总和。可是理论上协程是非阻塞的,那运行时间应该等于最长的那个网站打开时间呀?其实这是因为Python标准库里的socket是阻塞式的,DNS解析无法并发,包括像urllib库也一样,所以这种情况下用协程完全没意义。那怎么办?

一种方法是使用gevent下的socket模块,我们可以通过”from gevent import socket”来导入。不过更常用的方法是使用猴子布丁(Monkey patching):

from gevent import monkey; monkey.patch_socket()
import gevent
import socket
 
urls = ['www.baidu.com', 'www.gevent.org', 'www.python.org']
jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]
gevent.joinall(jobs, timeout=5)
 
print [job.value for job in jobs]

上述代码的第一行就是对socket标准库打上猴子补丁,此后socket标准库中的类和方法都会被替换成非阻塞式的,所有其他的代码都不用修改,这样协程的效率就真正体现出来了。Python中其它标准库也存在阻塞的情况,gevent提供了”monkey.patch_all()”方法将所有标准库都替换。

from gevent import monkey; monkey.patch_all()

使用猴子补丁褒贬不一,但是官网上还是建议使用”patch_all()”,而且在程序的第一行就执行。

获取协程状态

协程状态有已启动和已停止,分别可以用协程对象的”started”属性和”ready()”方法来判断。对于已停止的协程,可以用”successful()”方法来判断其是否成功运行且没抛异常。如果协程执行完有返回值,可以通过”value”属性来获取。另外,greenlet协程运行过程中发生的异常是不会被抛出到协程外的,因此需要用协程对象的”exception”属性来获取协程中的异常。下面的例子很好的演示了各种方法和属性的使用。

#coding:utf8
import gevent
 
def win():
    return 'You win!'
 
def fail():
    raise Exception('You failed!')
 
winner = gevent.spawn(win)
loser = gevent.spawn(fail)
 
print winner.started # True
print loser.started  # True
 
# 在Greenlet中发生的异常,不会被抛到Greenlet外面。
# 控制台会打出Stacktrace,但程序不会停止
try:
    gevent.joinall([winner, loser])
except Exception as e:
    # 这段永远不会被执行
    print 'This will never be reached'
 
print winner.ready() # True
print loser.ready()  # True
 
print winner.value # 'You win!'
print loser.value  # None
 
print winner.successful() # True
print loser.successful()  # False
 
# 这里可以通过raise loser.exception 或 loser.get()
# 来将协程中的异常抛出
print loser.exception

协程运行超时

之前我们讲过在”gevent.joinall()”方法中可以传入timeout参数来设置超时,我们也可以在全局范围内设置超时时间:

import gevent
from gevent import Timeout
 
timeout = Timeout(2)  # 2 seconds
timeout.start()
 
def wait():
    gevent.sleep(10)
 
try:
    gevent.spawn(wait).join()
except Timeout:
    print('Could not complete')

上例中,我们将超时设为2秒,此后所有协程的运行,如果超过两秒就会抛出”Timeout”异常。我们也可以将超时设置在with语句内,这样该设置只在with语句块中有效:

with Timeout(1):
    gevent.sleep(10)

此外,我们可以指定超时所抛出的异常,来替换默认的”Timeout”异常。比如下例中超时就会抛出我们自定义的”TooLong”异常。

class TooLong(Exception):
    pass
 
with Timeout(1, TooLong):
    gevent.sleep(10)

协程间通讯

greenlet协程间的异步通讯可以使用事件(Event)对象。该对象的”wait()”方法可以阻塞当前协程,而”set()”方法可以唤醒之前阻塞的协程。在下面的例子中,5个waiter协程都会等待事件evt,当setter协程在3秒后设置evt事件,所有的waiter协程即被唤醒。

#coding:utf8
import gevent
from gevent.event import Event
 
evt = Event()
 
def setter():
    print 'Wait for me'
    gevent.sleep(3)  # 3秒后唤醒所有在evt上等待的协程
    print "Ok, I'm done"
    evt.set()  # 唤醒
 
def waiter():
    print "I'll wait for you"
    evt.wait()  # 等待
    print 'Finish waiting'
 
gevent.joinall([
    gevent.spawn(setter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter)
])

除了Event事件外,gevent还提供了AsyncResult事件,它可以在唤醒时传递消息。让我们将上例中的setter和waiter作如下改动:

from gevent.event import AsyncResult
aevt = AsyncResult()
 
def setter():
    print 'Wait for me'
    gevent.sleep(3)  # 3秒后唤醒所有在evt上等待的协程
    print "Ok, I'm done"
    aevt.set('Hello!')  # 唤醒,并传递消息
 
def waiter():
    print("I'll wait for you")
    message = aevt.get()  # 等待,并在唤醒时获取消息
    print 'Got wake up message: %s' % message

队列 Queue

队列Queue的概念相信大家都知道,我们可以用它的put和get方法来存取队列中的元素。gevent的队列对象可以让greenlet协程之间安全的访问。运行下面的程序,你会看到3个消费者会分别消费队列中的产品,且消费过的产品不会被另一个消费者再取到:

import gevent
from gevent.queue import Queue
 
products = Queue()
 
def consumer(name):
    while not products.empty():
        print '%s got product %s' % (name, products.get())
        gevent.sleep(0)
 
    print '%s Quit'
 
def producer():
    for i in xrange(1, 10):
        products.put(i)
 
gevent.joinall([
    gevent.spawn(producer),
    gevent.spawn(consumer, 'steve'),
    gevent.spawn(consumer, 'john'),
    gevent.spawn(consumer, 'nancy'),
])

put和get方法都是阻塞式的,它们都有非阻塞的版本:put_nowait和get_nowait。如果调用get方法时队列为空,则抛出”gevent.queue.Empty”异常。

信号量

信号量可以用来限制协程并发的个数。它有两个方法,acquire和release。顾名思义,acquire就是获取信号量,而release就是释放。当所有信号量都已被获取,那剩余的协程就只能等待任一协程释放信号量后才能得以运行:

import gevent
from gevent.coros import BoundedSemaphore
 
sem = BoundedSemaphore(2)
 
def worker(n):
    sem.acquire()
    print('Worker %i acquired semaphore' % n)
    gevent.sleep(0)
    sem.release()
    print('Worker %i released semaphore' % n)
 
gevent.joinall([gevent.spawn(worker, i) for i in xrange(0, 6)])

上面的例子中,我们初始化了”BoundedSemaphore”信号量,并将其个数定为2。所以同一个时间,只能有两个worker协程被调度。程序运行后的结果如下:

Worker 0 acquired semaphore
Worker 1 acquired semaphore
Worker 0 released semaphore
Worker 1 released semaphore
Worker 2 acquired semaphore
Worker 3 acquired semaphore
Worker 2 released semaphore
Worker 3 released semaphore
Worker 4 acquired semaphore
Worker 4 released semaphore
Worker 5 acquired semaphore
Worker 5 released semaphore

如果信号量个数为1,那就等同于同步锁。

协程本地变量

同线程类似,协程也有本地变量,也就是只在当前协程内可被访问的变量:

import gevent
from gevent.local import local
 
data = local()
 
def f1():
    data.x = 1
    print data.x
 
def f2():
    try:
        print data.x
    except AttributeError:
        print 'x is not visible'
 
gevent.joinall([
    gevent.spawn(f1),
    gevent.spawn(f2)
])

通过将变量存放在local对象中,即可将其的作用域限制在当前协程内,当其他协程要访问该变量时,就会抛出异常。不同协程间可以有重名的本地变量,而且互相不影响。因为协程本地变量的实现,就是将其存放在以的”greenlet.getcurrent()”的返回为键值的私有的命名空间内。

实际应用

讲到这里,大家肯定很想看一个gevent的实际应用吧,这里有一个简单的聊天室程序,基于Flask实现,大家可以参考下。

更多参考资料

gevent的官方文档
gevent社区提供的教程

本文中的示例代码可以在这里下载。

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