python异步编程 - 什么是协程

什么是python 中的协程

协程 (Coroutine)，又称微线程，是一种比线程更轻量级的执行单元。你可以把它看作一个可以暂停和恢复执行的特殊函数。

协程不同于进程/线程， 并不是计算机中真实存在的组件， 你可以理解为python 程序员构建出来的逻辑组件， 它可以在python不同代码中切换执行， 而且方便地被程序员控制。

协程与进程，线程的区别

协程、线程和进程是实现并发的三个不同层次的概念，它们的主要区别如下：

特性	进程 (Process)	线程 (Thread)	协程 (Coroutine)
基本单位	拥有独立资源（内存、文件）的执行单位	进程内的执行单位，共享进程资源	比线程更轻量级的执行单位，运行在线程之上
调度方式	由操作系统调度（抢占式）	由操作系统调度（抢占式）	由程序（事件循环）调度（协作式）
资源开销	非常大，创建和切换成本高	较大，有独立的堆栈和上下文	极小，本质上是函数调用
数据共享	复杂，需要 IPC（如管道、队列）	简单，直接共享内存，但需加锁保证安全	简单，在单线程内运行，无需加锁
并发能力	可利用多核 CPU	受 GIL 限制，无法利用多核（CPU密集型）	无法利用多核 CPU
适用场景	CPU 密集型任务	I/O 密集型任务（有阻塞库时）	I/O 密集型任务（高并发、高性能）

协程解决了什么问题

协程主要解决了以下两个核心问题：

1. 高并发下的性能瓶颈：
   对于 I/O 密集型应用（如 Web 服务器、爬虫），传统的多线程模型在并发量巨大时会遇到瓶颈。每创建一个线程，操作系统都需要分配相当大的内存资源，并且线程间的切换（上下文切换）也有显著的开销。当成千上万个连接同时存在时，线程模型会消耗大量系统资源，导致性能下降。
   协程的解决方案：协程的开销极小，可以在单线程内轻松创建成千上万个协程。它们的切换由程序控制，几乎没有开销，从而能够以极低的成本实现超高并发。

2. 异步编程的复杂性（回调地狱）：
   在协程出现之前，异步编程通常依赖于回调函数 (Callback)。这种模式很容易导致代码结构混乱，形成所谓的“回调地狱 (Callback Hell)”，代码难以阅读和维护。
   协程的解决方案：async/await 语法让异步代码看起来像同步代码一样直观、易于理解。它将回调的逻辑隐藏在语法糖背后，让开发者可以用线性的、顺序的思维来编写并发代码，极大地提升了可读性和可维护性。

协程与异步编程的关系

协程是异步编程的基石。

可以这样理解它们的关系：

• 异步编程是一种编程范式，其目标是允许程序在等待耗时操作（如 I/O）时能继续执行其他任务，以提高效率。
• 协程是实现这种范式的一种具体技术手段。

在现代 Python 中，asyncio 库就是异步编程的核心框架。这个框架的工作模式如下：

1. 事件循环 (Event Loop) 是异步编程的“心脏”，它负责管理和调度所有的任务。
2. 协程是事件循环处理的“任务单元”。你将一个个协程（通过 async def 定义）提交给事件循环。
3. 当一个协程执行到 await 表达式时，它会暂停自己，并把控制权交还给事件循环。
4. 事件循环会选择另一个已就绪的协程来执行。
5. 当之前暂停的协程所等待的操作完成后，事件循环会在未来的某个时刻恢复它的执行。

因此，异步编程是通过事件循环来调度协程，从而实现在单线程内高效并发执行多个任务的编程模型。