协程详解

什么是协程？

协程（Coroutine）是比线程更轻量级的并发单位，它是一种可以在执行中暂停并切换到其他任务的函数。协程本质上是单线程的，但通过协作式调度实现了高效的并发处理。

协程的特点：

轻量级： 协程不像线程那样依赖于操作系统，而是在程序内部实现的，因此开销非常小。
非阻塞： 协程通过主动让出控制权来实现并发（协作式调度），而不是依赖操作系统的线程切换（抢占式调度）。
适合 I/O 密集型任务： 协程特别适合需要频繁等待 I/O 操作的场景，如网络请求、文件读取等。

协程与线程的区别：

特性	线程	协程
切换方式	由操作系统调度，抢占式	程序员控制，协作式
性能开销	切换需要操作系统上下文切换，较高	切换仅需保存函数状态，开销非常低
并行能力	可利用多核（多线程）	单线程，不支持多核
适用场景	适合 CPU 密集型任务	适合 I/O 密集型任务

Python 中的协程实现

Python 中支持协程的主要工具是 asyncio 模块，它基于 async/await 关键字。

基础用法：

定义协程： 使用 async def 定义一个协程函数。

async def my_coroutine():
    print("Start coroutine")
    await asyncio.sleep(1)  # 模拟 I/O 操作
    print("End coroutine")

运行协程： 协程函数返回一个协程对象，需要用 事件循环（Event Loop） 来运行。

import asyncio

async def my_coroutine():
    print("Start coroutine")
    await asyncio.sleep(1)  # 模拟 I/O 操作
    print("End coroutine")

asyncio.run(my_coroutine())  # 运行协程

输出：

Start coroutine
End coroutine

并发运行多个协程：

通过 asyncio.gather() 或 asyncio.create_task() 实现并发运行多个协程。

import asyncio

async def task(name, duration):
    print(f"Task {name} started")
    await asyncio.sleep(duration)  # 模拟 I/O
    print(f"Task {name} finished")

async def main():
    # 并发运行多个任务
    await asyncio.gather(
        task("A", 2),
        task("B", 1),
        task("C", 3)
    )

asyncio.run(main())

输出（顺序可能不同，具体取决于调度）：

Task A started
Task B started
Task C started
Task B finished
Task A finished
Task C finished

关键点详解：

await 的作用：
await 用于暂停当前协程，等待一个异步操作完成。
例如，await asyncio.sleep(1) 会让当前协程暂停 1 秒，同时将控制权让给事件循环。
asyncio.run()：
是启动协程的高层接口，用于运行一个协程直到完成。
它会自动管理事件循环的创建和关闭。
asyncio.gather()：
接收多个协程对象，调度它们并发执行。
返回一个包含所有任务结果的列表。
asyncio.create_task()：
显式创建一个任务，并允许任务在后台运行。

async def main():
    task = asyncio.create_task(task("Background", 2))
    print("Doing something else...")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Waiting for task to finish...")
    await task

asyncio.run(main())

协程的应用场景

网络请求： 使用协程并发处理多个网络请求，如抓取网页。
文件 I/O： 异步读写文件。
数据库操作： 使用异步数据库库（如 aiomysql）。
实时通信： 异步 WebSocket 或聊天服务。

综合示例：

模拟爬取多个网页内容：

import asyncio
import random

async def fetch_page(url):
    print(f"Fetching {url}...")
    await asyncio.sleep(random.uniform(1, 3))  # 模拟网络延迟
    print(f"Finished {url}")
    return f"Content of {url}"

async def main():
    urls = ["http://example.com/1", "http://example.com/2", "http://example.com/3"]
    results = await asyncio.gather(*(fetch_page(url) for url in urls))
    print("Results:", results)

asyncio.run(main())

输出：

Fetching http://example.com/1...
Fetching http://example.com/2...
Fetching http://example.com/3...
Finished http://example.com/2
Finished http://example.com/1
Finished http://example.com/3
Results: ['Content of http://example.com/1', 'Content of http://example.com/2', 'Content of http://example.com/3']

总结

协程是 Python 中实现高效并发的重要工具，它通过 async/await 语法实现了易用性和性能的统一，非常适合处理 I/O 密集型任务。通过 asyncio 提供的丰富功能，可以轻松实现复杂的异步逻辑。