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 async 和 await ，使得协程的编写更加简单。以下是一个简单的协程示例：

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。

# A generator function
def countdown(n):while n > 0:yield nn -= 1# A coroutine function
def countup(n):x = 0while 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：

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：

async def my_coroutine():return 123

然后，我们需要通过事件循环来驱动协程：

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"：

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。