Gevent 调度流程解析

gevent是目前应用非常广泛的网络库,高效的轮询IO库libev加上greenlet实现的协程(coroutine),使得gevent的性能非常出色,尤其是在web应用中。本文介绍gevent的调度流程,主要包括gevent对greenlet的封装和使用,以及greenlet与libev的协作。阅读本文需要对greenlet有一定的认识,可以参考这篇文章,另外,本文分析的gevent版本为1.2,可以通过gevent.version_info查看版本号。

gevent简介:

gevent是基于协程(greenlet)的网络库,底层的事件轮询基于libev(早期是libevent),gevent的API概念和Python标准库一致(如事件,队列)。gevent有一个很有意思的东西-monkey-patch,能够使python标准库中的阻塞操作变成异步,如socket的读写。

gevent来源于eventlet,自称比后者实现更简单、API更方便且性能更好,许多开源的web服务器也使用了gevent,如gunicorn、paste,当然gevent本生也可以作为一个python web服务器使用。这篇文章对常见的wsgi server进行性能对比,gevent不管在http1.0还是http1.1都表现非常出色。下图是目前常用的http1.1标准下的表现:1089769-20170206161920057-404494008

gevent高效的秘诀就是greenlet和libev啦,greenlet在之前的博文有介绍,gevent对greenlet的使用比较限制,只能在两层协程之间切换,简单也不容易出错。libev使用轮训非阻塞的方式进行事件处理,比如unix下的epoll。早期gevent使用libevent,后来替换成libev,因为libev“提供更少的核心功能以求更改的效率”,这里有libev和libevent的性能对比

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greenlet回顾:

如果想了解gevent的调度流程,最重要的是对greenlet有基本的了解。下面总结一些个人认为比较重要的点:

  1. 每一个greenlet.greenlet实例都有一个parent(可指定,默认为创生新的greenlet.greenlet所在环境),当greenlet.greenlet实例执行完逻辑正常结束、或者抛出异常结束时,执行逻辑切回到其parent。
  2. 可以继承greenlet.greenlet,子类需要实现run方法,当调用greenlet.switch方法时会调用到这个run方法

在gevent中,有两个类继承了greenlet.greenlet,分别是gevent.hub.Hub和gevent.greenlet.Greenlet。后文中,如果是greenlet.greenlet这种写法,那么指的是原生的类库greentlet,如果是greenlet(或者Greenlet)那么指gevent封装后的greenlet。

greenlet调度流程:

首先,给出总结性的结论,后面再结合实例和源码一步步分析。

每个gevent线程都有一个hub,前面提到hub是greenlet.greenlet的实例。hub实例在需要的时候创生(Lazy Created),那么其parent是main greenlet。之后任何的Greenlet(注意是greenlet.greenlet的子类)实例的parent都设置成hub。hub调用libev提供的事件循环来处理Greenlet代表的任务,当Greenlet实例结束(正常或者异常)之后,执行逻辑又切换到hub。

gevent调度示例1:

我们看下面最简单的代码:

上面的代码很简单,但事实上gevent的核心都包含在其中,接下来结合源码进行分析。

首先看sleep函数(gevent.hub.sleep):

首先是获取hub(第2行),然后在hub上wait这个定时器事件(第9行)。get_hub源码如下(gevent.hub.get_hub):

可以看到,hub是线程内唯一的,之前也提到过greenlet是线程独立的,每个线程有各自的greenlet栈。hubtype默认就是gevent.hub.Hub,在hub的初始化函数(__init__)中,会创建loop属性,默认也就是libev的python封装。

回到sleep函数定义,hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))。hub.wait函数非常关键,对于任何阻塞性操作,比如timer、io都会调用这个函数,其作用一句话概括:从当前协程切换到hub,直到watcher对应的事件就绪再从hub切换回来。wait函数源码如下(gevent.hub.Hub.wait):

形参watcher就是loop.timer实例,其cython描述在corecext.pyx,我们简单理解成是一个定时器事件就行了。上面的代码中,创建了一个Waiter(gevent.hub.Waiter)对象,这个对象起什么作用呢,这个类的doc写得非常清楚:

简而言之,是对greenlet.greenlet类switch 和 throw函数的分装,用来存储返回值greenlet的返回值或者捕获在greenlet中抛出的异常。我们知道,在原生的greenlet中,如果一个greenlet抛出了异常,那么该异常将会展开至其parent greenlet。

回到Hub.wait函数,第8行 watcher.start(waiter.switch, unique) 注册了一个回调,在一定时间(1s)之后调用回调函数waiter.switch。注意,waiter.switch此时并没有执行。然后第10行调用waiter.get。看看这个get函数(gevent.hub.Waiter.get):

核心的逻辑在第11到15行,11行中,getcurrent获取当前的greenlet(在这个测试代码中,是main greenlet,即最原始的greenlet),将其复制给waiter.greenlet。然后13行switch到hub,在greenlet回顾章节的第二条提到,greenlet.greenlet的子类需要重写run方法,当调用子类的switch时会调用到该run方法。Hub的run方法实现如下:

loop自然是libev的事件循环。doc中提到,这个loop理论上会一直循环,如果结束,那么表明没有任何监听的事件(包括IO 定时等)。之前在Hub.wait函数中注册了定时器,那么在这个run中,如果时间到了,那么会调用定时器的callback,也就是之前的waiter.switch, 我们再来看看这个函数(gevent.hub.Waiter.switch):

核心代码在第8到13行,第8行保证调用到该函数的时候一定在hub这个协程中,这是很自然的,因为这个函数一定是在Hub.run中被调用。第11行switch到waiter.greenlet这个协程,在讲解waiter.get的时候就提到了waiter.greenlet是main greenlet。注意,这里得switch会回到main greenlet被切出的地方(也就是main greenlet挂起的地方),那就是在waiter.get的第10行,整个逻辑也就恢复到main greenlet继续执行。

总结:sleep的作用很简单,触发一个阻塞的操作,导致调用hub.wait,从当前greenlet.greenlet切换至Hub,超时之后再从hub切换到之前的greenlet继续执行通过这个例子可以知道,gevent将任何阻塞性的操作封装成一个Watcher,然后从调用阻塞操作的协程切换到Hub,等到阻塞操作完成之后,再从Hub切换到之前的协程

gevent调度示例2:

上面这个例子,虽然能够理顺gevent的调度流程,但事实上并没有体现出gevent 协作的优势。接下来看看gevent tutorial的例子:

从输出可以看到, foo和bar依次输出,显然是在gevent.sleep的时候发生了执行流程切换,gevent.sleep再前面已经介绍了,那么这里主要关注spawn和joinall函数。

gevent.spawn本质调用了gevent.greenlet.Greenlet的类方法spawn:

这个类方法调用了Greenlet的两个函数,__init__ 和 start. init函数中最为关键的是这段代码:

start函数的定义也很简单(gevent.greenlet.Greenlet.start):

注册回调事件self.switch到hub.loop,注意Greenlet.switch最终会调用到Greenlet._run, 也就是spawn函数传入的callable对象(foo、bar)。这里仅仅是注册,但还没有开始事件轮询,gevent.joinall就是用来启动事件轮询并等待运行结果的。

joinall函数会一路调用到gevent.hub.iwait函数:

然后iwait函数第23行开始的循环,逐个调用waiter.get。这里的waiter是_MultipleWaiter(Waiter)的实例,其get函数最终调用到Waiter.get。前面已经详细介绍了Waiter.get,简而言之,就是switch到hub。我们利用greenlet的tracing功能可以看到整个greenlet.greenlet的switch流程,修改后的代码如下:

切换流程及原因见下图:

总结:gevent.spawn创建一个新的Greenlet,并注册到hub的loop上,调用gevent.joinall或者Greenlet.join的时候开始切换到hub。

本文通过两个简单的例子并结合源码分析了gevent的协程调度流程。gevent的使用非常方便,尤其是在web server中,基本上应用App什么都不用做就能享受gevent带来的好处。笔者阅读gevent源码最重要的原因在于想了解gevent对greenlet的封装和使用,greenlet很强大,强大到容易出错,而gevent保证在两层协程之间切换,值得借鉴!

参考

  • http://www.cnblogs.com/xybaby/p/6337944.html
  • http://www.gevent.org/
  • https://pypi.python.org/pypi/greenlet
  • http://software.schmorp.de/pkg/libev.html
  • http://libevent.org/
  • http://eventlet.net/
  • http://nichol.as/benchmark-of-python-web-servers
  • http://libev.schmorp.de/bench.html
  • http://sdiehl.github.io/gevent-tutorial/
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