Python 协程与 JavaScript 协程的对比

上一篇 / 下一篇  2021-09-18 09:56:29

  前言
  以前没怎么接触前端,对 JavaScript 的异步操作不了解,现在有了点了解。一查发现 Python 和 JavaScript 的协程发展史简直就是一毛一样!
  这里大致做下横向对比和总结,便于对这两个语言有兴趣的新人理解和吸收。
  共同诉求
  · 随着 cpu 多核化,都需要实现由于自身历史原因(单线程环境)下的并发功能
  · 简化代码,避免回调地狱,关键字支持
  · 有效利用操作系统资源和硬件:协程相比线程,占用资源更少,上下文更快
  什么是协程?
  总结一句话,协程就是满足下面条件的函数:
  · 可以暂停执行(暂停的表达式称为暂停点)
  · 可以从挂起点恢复(保留其原始参数和局部变量)
  · 事件循环是异步编程的底层基石
  混乱的历史
  Python 协程的进化
  · Python2.2 中,第一次引入了生成器
  · Python2.5 中,yield 关键字被加入到语法中
  · Python3.4 时有了 yield from(yield from 约等于 yield + 异常处理 + send), 并试验性引入的异步 I/O 框架 asyncio(PEP 3156)
  · Python3.5 中新增了 async/await 语法(PEP 492)
  · Python3.6 中 asyncio 库"转正" (之后的官方文档就清晰了很多)
  在主线发展过程中,也出现了很多支线的协程实现如 Gevent。
  def foo():  
      print("foo start")  
      a = yield 1  
      print("foo a", a)  
      yield 2  
      yield 3  
      print("foo end")  
  gen = foo()  
  # print(gen.next())  
  # gen.send("a")  
  # print(gen.next())  
  # print(foo().next())  
  # print(foo().next())  
  # 在python3.x版本中,python2.x的g.next()函数已经更名为g.__next__(),使用next(g)也能达到相同效果。  
  # next()跟send()不同的地方是,next()只能以None作为参数传递,而send()可以传递yield的值.  
  print(next(gen))  
  print(gen.send("a"))  
  print(next(gen))  
  print(next(foo()))  
  print(next(foo()))  
  list(foo())  
  """  
  foo start  
  1  
  foo a a  
  2  
  3  
  foo start  
  1  
  foo start  
  1  
  foo start  
  foo a None  
  foo end  
  """ 
  JavaScript 协程的进化
  · 同步代码
  · 异步 JavaScript: callback hell
  · ES6 引入 Promise/a+, 生成器 Generators(语法 function foo(){}* 可以赋予函数执行暂停/保存上下文/恢复执行状态的功能), 新关键词 yield 使生成器函数暂停。
  · ES7 引入 async函数/await语法糖,async 可以声明一个异步函数(将 Generator 函数和自动执行器,包装在一个函数里),此函数需要返回一个 Promise 对象。await 可以等待一个 Promise 对象 resolve,并拿到结果
  Promise 中也利用了回调函数。在 then 和 catch 方法中都传入了一个回调函数,分别在 Promise 被满足和被拒绝时执行,这样就就能让它能够被链接起来完成一系列任务。
  总之就是把层层嵌套的 callback 变成 .then().then()...,从而使代码编写和阅读更直观。
  生成器 Generator 的底层实现机制是协程 Coroutine。
  function* foo() {  
      console.log("foo start")  
      a = yield 1;  
      console.log("foo a", a)  
      yield 2;  
      yield 3;  
      console.log("foo end")  
  }  
  const gen = foo();  
  console.log(gen.next().value); // 1  
  // gen.send("a") // http://www.voidcn.com/article/p-syzbwqht-bvv.html SpiderMonkey引擎支持 send 语法  
  console.log(gen.next().value); // 2  
  console.log(gen.next().value); // 3 
  console.log(foo().next().value); // 1  
  console.log(foo().next().value); // 1  
  /*  
  foo start  
  1  
  foo a undefined  
  2  
  3  
  foo start  
  1  
  foo start  
  1  
  */ 
  Python 协程成熟体
  可等待对象可以在 await 语句中使用,可等待对象有三种主要类型:协程(coroutine), 任务(task) 和 Future。
  协程(coroutine)
  · 协程函数:定义形式为 async def 的函数;
  · 协程对象:调用 协程函数 所返回的对象
  · 旧式基于 generator(生成器)的协程
  任务(Task 对象):
  · 任务 被用来“并行的”调度协程, 当一个协程通过 asyncio.create_task() 等函数被封装为一个 任务,该协程会被自动调度执行
  · Task 对象被用来在事件循环中运行协程。如果一个协程在等待一个 Future 对象,Task 对象会挂起该协程的执行并等待该 Future 对象完成。当该 Future 对象 完成,被打包的协程将恢复执行。
  · 事件循环使用协同日程调度: 一个事件循环每次运行一个 Task 对象。而一个 Task 对象会等待一个 Future 对象完成,该事件循环会运行其他 Task、回调或执行 IO 操作。
  · asyncio.Task 从 Future 继承了其除 Future.set_result() 和 Future.set_exception() 以外的所有 API。
  未来对象(Future):
  · Future 对象用来链接 底层回调式代码 和高层异步/等待式代码。
  · 不用回调方法编写异步代码后,为了获取异步调用的结果,引入一个 Future 未来对象。Future 封装了与 loop 的交互行为,add_done_callback 方法向 epoll 注册回调函数,当 result 属性得到返回值后,会运行之前注册的回调函数,向上传递给 coroutine。
  几种事件循环(event loop):
  · libevent/libev:Gevent(greenlet + 前期 libevent,后期 libev)使用的网络库,广泛应用;
  · tornado:tornado 框架自己实现的 IOLOOP;
  · picoev:meinheld(greenlet+picoev)使用的网络库,小巧轻量,相较于 libevent 在数据结构和事件检测模型上做了改进,所以速度更快。但从 github 看起来已经年久失修,用的人不多。
  · uvloop:Python3 时代的新起之秀。Guido 操刀打造了 asyncio 库,asyncio 可以配置可插拔的event loop,但需要满足相关的 API 要求,uvloop 继承自 libuv,将一些低层的结构体和函数用 Python 对象包装。目前 Sanic 框架基于这个库
  例子 
  import asyncio  
  import time  
  async def exec():  
      await asyncio.sleep(2)  
      print('exec')  
  # 这种会和同步效果一直  
  # async def go():  
  #     print(time.time())  
  #     c1 = exec()  
  #     c2 = exec()  
  #     print(c1, c2)  
  #     await c1  
  #     await c2  
  #     print(time.time())  
  # 正确用法  
  async def go():  
      print(time.time())  
      await asyncio.gather(exec(),exec()) # 加入协程组统一调度 
      print(time.time())  
  if __name__ == "__main__":  
      asyncio.run(go()) 
  JavaScript 协程成熟体
  Promise 继续使用
  Promise 本质是一个状态机,用于表示一个异步操作的最终完成 (或失败), 及其结果值。它有三个状态:
  · pending: 初始状态,既不是成功,也不是失败状态。
  · fulfilled: 意味着操作成功完成。
  · rejected: 意味着操作失败。
  最终 Promise 会有两种状态,一种成功,一种失败,当 pending 变化的时候,Promise 对象会根据最终的状态调用不同的处理函数。
  async、await语法糖
  async、await 是对 Generator 和 Promise 组合的封装,使原先的异步代码在形式上更接近同步代码的写法,并且对错误处理/条件分支/异常堆栈/调试等操作更友好。
  js 异步执行的运行机制
  1. 所有任务都在主线程上执行,形成一个执行栈。
  2. 主线程之外,还存在一个"任务队列"(task queue)。只要异步任务有了运行结果,就在"任务队列"之中放置一个事件。
  3. 一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕,系统就会读取"任务队列"。那些对应的异步任务,结束等待状态,进入执行栈并开始执行。
  遇到同步任务直接执行,遇到异步任务分类为宏任务(macro-task)和微任务(micro-task)。
  当前执行栈执行完毕时会立刻先处理所有微任务队列中的事件,然后再去宏任务队列中取出一个事件。同一次事件循环中,微任务永远在宏任务之前执行。
  例子 
  var sleep = function (time) {  
      console.log("sleep start")  
      return new Promise(function (resolve, reject) {  
          setTimeout(function () {  
              resolve();  
          }, time);  
      });  
  };  
  async function exec() {  
      await sleep(2000);  
      console.log("sleep end")  
  }  
  async function go() {  
      console.log(Date.now())  
      c1 = exec()  
      console.log("-------1")  
      c2 = exec()  
      console.log(c1, c2)  
      await c1;  
      console.log("-------2")  
      await c2;  
      console.log(c1, c2)  
      console.log(Date.now())  
  } 
  go();
  event loop 将任务划分:
  · 主线程循环从"任务队列"中读取事件。
  · 宏队列(macro task)js 同步执行的代码块,setTimeout、setInterval、XMLHttprequest、setImmediate、I/O、UI rendering等,本质是参与了事件循环的任务。
  · 微队列(micro task)Promise、process.nextTick(node环境)、Object.observe, MutationObserver等,本质是直接在 Javascript 引擎中的执行的没有参与事件循环的任务。
  扩展阅读 Node.js 中的 EventLoop (http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html)
  总结与对比

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  • 更新时间: 2021-11-22

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