Python協程的實作方式有哪些

什麼是協程

在 Python 中，協程（Coroutine）是一種輕量級的並發程式設計方式，可以透過協作式多任務來實現高效的並發執行。使用 yield 關鍵字掛起函數的執行，以及儲存目前執行狀態，是協程的特殊之處。因此，協程可視為一種特殊的生成器函數。當協程被掛起時，可以使用 send 方法來恢復其執行，並在恢復後傳回一個值。

在 Python 3.4 以前，常使用 yield 關鍵字來實現協程，即稱為「生成器協程」。在 Python 3.4 引入了 asyncio 模組後，可以使用 async/await 關鍵字來定義協程函數，稱為「原生協程」。

協程相比於執行緒和進程，具有以下優點：

• 輕量級：協程的上下文切換成本很小，可以在單執行緒內並發執行大量的協程。

• 低延遲：協程的執行過程中，沒有執行緒切換的開銷，也沒有加鎖解鎖的開銷，可以更快地回應外部事件。

• 高效能：協程的程式碼通常比多執行緒和多進程的程式碼更簡潔可讀，維護成本更低。

協程的使用場景包括網路程式設計、非同步 I/O、資料流處理、高並發任務等。

生成器協程

在 Python 3 中，生成器協程（Generator Coroutine）是指使用生成器函數來實現的協程。生成器函數是一種特殊的函數，其傳回一個生成器對象，可以透過 yield 語句暫停函數的執行，然後在下次呼叫生成器物件的 「next」() 方法時繼續執行。

下面給出一個簡單的生成器協程的範例，其中包含一個生成器函數coroutine 和一個簡單的非同步I/O 操作：

import asyncio

def coroutine():
    print('Coroutine started')
    while True:
        result = yield
        print('Coroutine received:', result)

async def main():
    print('Main started')
    c = coroutine()
    next(c)
    c.send('Hello')
    await asyncio.sleep(1)
    c.send('World')
    print('Main finished')

asyncio.run(main())

結果輸出：

[root@workhost k8s]# python3 test.py 
Main started
Coroutine started
Coroutine received: Hello
Coroutine received: World
Main finished

##4
#來看一下，上面程式碼的執行過程：

main 函數開始執行，列印出Main started。

建立一個生成器物件 c，呼叫 next(c) 使其執行到第一個 yield 語句處暫停。
使用 c.send('Hello') 恢復生成器函數的執行，並將 'Hello' 作為生成器函數的傳回值。
在等待1秒鐘的過程中，main 函數暫停執行，等待事件循環啟動下一次任務。
在等待1秒鐘後，使用 c.send('World') 繼續執行生成器函數，並將 'World' 作為生成器函數的傳回值。
main 函數復原執行，列印出 Main finished。
透過使用生成器函數 coroutine，這段程式碼實現了一個簡單的協程。生成器函數透過使用 yield 語句暫停函數的執行，然後可以透過 send 方法恢復函數的執行，並將值傳遞給生成器函數。透過這種方式，可以使用生成器函數實現非同步並發。使用生成器函數接受非同步 I/O 操作的結果，並將其列印出來，如範例所示。

• 原生協程

Python 3引進原生協程(Native Coroutine)作為一種新協程類型。原生協程是透過使用 async/await 關鍵字來定義的，與生成器協程不同，它們可以像普通函數一樣使用 return 語句傳回值，而不是使用 yield 語句。

下面給出一個簡單的原生協程範例，其中包含一個async 關鍵字修飾的協程函數coroutine 和一個簡單的非同步I/O 操作：

import asyncio

async def coroutine():
    print('Coroutine started')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Coroutine finished')

async def main():
    print('Main started')
    await coroutine()
    print('Main finished')

asyncio.run(main())

两种协程对比

Python 3 中，原生协程和生成器协程是不同的协程实现方式，它们分别具有独特的特点和适用场景。下面，通过对比它们的区别和优缺点，才可以更好地理解它们之间的异同，以便选择适合自己的协程实现方式，从而更好地编写高效、可维护的异步程序。

1.区别：

• 定义方式不同：原生协程使用 async/await 关键字来定义，而生成器协程使用 yield 关键字来定义。

• 返回方式不同：原生协程使用 return 语句来返回结果，而生成器协程使用 yield 语句来返回结果。

• 调用方式不同：原生协程使用 await 关键字来调用，而生成器协程使用 yield from 或 yield 语句来调用。

• 原生协程与生成器协程的实现方式不同，前者使用 asyncio 库，后者则是 Python 语言内置的特性。

2.优缺点：

原生协程的优点：

• 代码简洁易懂：使用 async/await 关键字，可以编写出更简洁易懂的协程代码。

• 性能更高：原生协程不需要创建生成器对象，也不需要通过 yield 语句来控制函数的执行流程，因此能够更加高效地处理异步操作。

• 支持异步 I/O 和任务处理：原生协程可以支持异步 I/O 操作和并发任务处理，可以在处理异步操作时更加灵活。

原生协程的缺点：

• 兼容性差：原生协程是 Python 3.5 版本之后才引入的新特性，因此在旧版本的 Python 中无法使用。

• 异常处理不方便：原生协程在处理异常时比较麻烦，需要使用 try/except 语句来处理。

生成器协程的优点：

• 兼容性好：生成器协程是 Python 2 和 Python 3 都支持的特性。

• 可读性好：生成器协程使用 yield 关键字来实现，代码逻辑清晰易懂。

• 异常处理方便：生成器协程在处理异常时比较方便，可以使用 try/except 语句来处理。

生成器协程的缺点：

• 性能相对较低：生成器协程需要创建生成器对象，也需要通过 yield 语句来控制函数的执行流程，因此处理异步操作时性能相对较低。

• 功能有限：生成器协程不能像原生协程一样支持异步 I/O 操作和任务处理。

实战案例

接下来，模拟一个场景，假设实现一个异步的批量处理任务的工具，使用原生协程来实现。

看下面代码：

import asyncio
import random

async def batch_process_task(tasks, batch_size=10):
    # 将任务列表划分为多个批次
    for i in range(0, len(tasks), batch_size):
        batch = tasks[i:i+batch_size]
        # 使用原生协程来异步处理每个批次的任务
        await asyncio.gather(*[process_task(task) for task in batch])

async def process_task(task):
    # 模拟任务处理过程
    await asyncio.sleep(random.uniform(0.5, 2.0))
    print("Task {} processed".format(task))

async def main():
    # 构造任务列表
    tasks = [i for i in range(1, 101)]
    # 并发处理批量任务
    await batch_process_task(tasks, batch_size=10)

if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())

输出：

[root@workhost k8s]# python3 test.py 
Task 9 processed
Task 10 processed
Task 1 processed
Task 8 processed
Task 6 processed
Task 4 processed
Task 3 processed
Task 2 processed
Task 5 processed
...
...

batch_process_task函数使用原生协程来处理每个批次的任务，而process_task函数则是处理每个任务的函数。在main函数中，任务列表会被构造，并使用batch_process_task函数来异步地处理批量任务。

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