基于协程的Python网络库gevent介绍

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。

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:

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:

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):

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。

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。

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:


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:

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。

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。

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:

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:

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:

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:

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:

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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