gevent调度流程解析

 

　　gevent是目前应用非常广泛的网络库，高效的轮询IO库libev加上greenlet实现的协程（coroutine），使得gevent的性能非常出色，尤其是在web应用中。本文介绍gevent的调度流程，主要包括gevent对greenlet的封装和使用，以及greenlet与libev的协作。阅读本文需要对greenlet有一定的认识，可以参考这篇文章，另外，本文分析的gevent版本为1.2，可以通过gevent.version_info查看版本号。

gevent简介：

　  gevent是基于协程（greenlet）的网络库，底层的事件轮询基于libev（早期是libevent），gevent的API概念和Python标准库一致(如事件，队列)。gevent有一个很有意思的东西-monkey-patch，能够使python标准库中的阻塞操作变成异步，如socket的读写。

    gevent来源于eventlet，自称比后者实现更简单、API更方便且性能更好，许多开源的web服务器也使用了gevent，如gunicorn、paste，当然gevent本生也可以作为一个python web服务器使用。这篇文章对常见的wsgi server进行性能对比，gevent不管在http1.0还是http1.1都表现非常出色。下图是目前常用的http1.1标准下的表现：

　　

　　gevent高效的秘诀就是greenlet和libev啦，greenlet在之前的博文有介绍，gevent对greenlet的使用比较限制，只能在两层协程之间切换，简单也不容易出错。libev使用轮训非阻塞的方式进行事件处理，比如unix下的epoll。早期gevent使用libevent，后来替换成libev，因为libev“提供更少的核心功能以求更改的效率”，这里有libev和libevent的性能对比：

　　

greenlet回顾：

　　如果想了解gevent的调度流程，最重要的是对greenlet有基本的了解。下面总结一些个人认为比较重要的点：

1. 每一个greenlet.greenlet实例都有一个parent（可指定，默认为创生新的greenlet.greenlet所在环境），当greenlet.greenlet实例执行完逻辑正常结束、或者抛出异常结束时，执行逻辑切回到其parent
2. 可以继承greenlet.greenlet，子类需要实现run方法，当调用greenlet.switch方法时会调用到这个run方法

　　在gevent中，有两个类继承了greenlet.greenlet，分别是gevent.hub.Hub和gevent.greenlet.Greenlet。后文中，如果是greenlet.greenlet这种写法，那么指的是原生的类库greentlet，如果是greenlet（或者Greenlet）那么指gevent封装后的greenlet。

 

greenlet调度流程：

　　首先，给出总结性的结论，后面再结合实例和源码一步步分析。

　　每个gevent线程都有一个hub，前面提到hub是greenlet.greenlet的实例。hub实例在需要的时候创生（Lazy Created），那么其parent是main greenlet。之后任何的Greenlet（注意是greenlet.greenlet的子类）实例的parent都设置成hub。hub调用libev提供的事件循环来处理Greenlet代表的任务，当Greenlet实例结束（正常或者异常）之后，执行逻辑又切换到hub。

gevent调度示例1：

　　我们看下面最简单的代码：

>>> import gevent
>>> gevent.sleep(1)　　
>>>

　　上面的代码很简单，但事实上gevent的核心都包含在其中，接下来结合源码进行分析。

　　首先看sleep函数（gevent.hub.sleep）：

1 def sleep(seconds=0, ref=True):2     hub = get_hub()3     loop = hub.loop4     if seconds <= 0:5         waiter = Waiter()6         loop.run_callback(waiter.switch)7         waiter.get()8     else:9         hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))

 

　　　首先是获取hub（第2行），然后在hub上wait这个定时器事件（第9行）。get_hub源码如下（gevent.hub.get_hub）：

 1 def get_hub(*args, **kwargs): 2     """ 3     Return the hub for the current thread. 4  5     """ 6     hub = _threadlocal.hub 7     if hub is None: 8         hubtype = get_hub_class() 9         hub = _threadlocal.hub = hubtype(*args, **kwargs)10     return hub

 

　　可以看到，hub是线程内唯一的，之前也提到过greenlet是线程独立的，每个线程有各自的greenlet栈。hubtype默认就是gevent.hub.Hub，在hub的初始化函数(__init__)中，会创建loop属性，默认也就是libev的python封装。

　　回到sleep函数定义，hub.wait(loop.timer(seconds, ref=ref))。hub.wait函数非常关键，对于任何阻塞性操作，比如timer、io都会调用这个函数，其作用一句话概括：从当前协程切换到hub，直到watcher对应的事件就绪再从hub切换回来。wait函数源码如下（gevent.hub.Hub.wait）：

 1     def wait(self, watcher): 2         """ 3         Wait until the *watcher* (which should not be started) is ready. 4  5         """ 6         waiter = Waiter() 7         unique = object() 8         watcher.start(waiter.switch, unique) 9         try:10             result = waiter.get()11             if result is not unique:12                 raise InvalidSwitchError('Invalid switch into %s: %r (expected %r)' % (getcurrent(), result, unique))13         finally:14             watcher.stop()

　　形参watcher就是loop.timer实例，其cython描述在corecext.pyx，我们简单理解成是一个定时器事件就行了。上面的代码中，创建了一个Waiter（gevent.hub.Waiter）对象，这个对象起什么作用呢，这个类的doc写得非常清楚

Waiter.__doc__　　

A low level communication utility for greenlets.

Waiter is a wrapper around greenlet's ``switch()`` and ``throw()`` calls that makes them somewhat safer:

* switching will occur only if the waiting greenlet is executing :meth:`get` method currently;
* any error raised in the greenlet is handled inside :meth:`switch` and :meth:`throw`
* if :meth:`switch`/:meth:`throw` is called before the receiver calls :meth:`get`, then :class:`Waiter`
will store the value/exception. The following :meth:`get` will return the value/raise the exception

 　　简而言之，是对greenlet.greenlet类switch 和 throw函数的分装，用来存储返回值greenlet的返回值或者捕获在greenlet中抛出的异常。我们知道，在原生的greenlet中，如果一个greenlet抛出了异常，那么该异常将会展开至其parent greenlet。

　　回到Hub.wait函数，第8行 watcher.start(waiter.switch, unique) 注册了一个回调，在一定时间（1s）之后调用回调函数waiter.switch。注意，waiter.switch此时并没有执行。然后第10行调用waiter.get。看看这个get函数（gevent.hub.Waiter.get）：

 1     def get(self): 2         """If a value/an exception is stored, return/raise it. Otherwise until switch() or throw() is called.""" 3         if self._exception is not _NONE: 4             if self._exception is None: 5                 return self.value 6             else: 7                 getcurrent().throw(*self._exception) 8         else: 9             if self.greenlet is not None:10                 raise ConcurrentObjectUseError('This Waiter is already used by %r' % (self.greenlet, ))11             self.greenlet = getcurrent() # 存储当前协程，之后从hub switch回来的时候使用12             try:13                 return self.hub.switch() # switch到hub14             finally:15                 self.greenlet = None

 

　　核心的逻辑在第11到15行，11行中，getcurrent获取当前的greenlet（在这个测试代码中，是main greenlet，即最原始的greenlet），将其复制给waiter.greenlet。然后13行switch到hub，在greenlet回顾章节的第二条提到，greenlet.greenlet的子类需要重写run方法，当调用子类的switch时会调用到该run方法。Hub的run方法实现如下：

 1     def run(self): 2         """ 3         Entry-point to running the loop. This method is called automatically 4         when the hub greenlet is scheduled; do not call it directly. 5  6         :raises LoopExit: If the loop finishes running. This means 7            that there are no other scheduled greenlets, and no active 8            watchers or servers. In some situations, this indicates a 9            programming error.10         """11         assert self is getcurrent(), 'Do not call Hub.run() directly'12         while True:13             loop = self.loop14             loop.error_handler = self15             try:16                 loop.run()17             finally:18                 loop.error_handler = None  # break the refcount cycle19             self.parent.throw(LoopExit('This operation would block forever', self))

 

　　loop自然是libev的事件循环。doc中提到，这个loop理论上会一直循环，如果结束，那么表明没有任何监听的事件（包括IO 定时等）。之前在Hub.wait函数中注册了定时器，那么在这个run中，如果时间到了，那么会调用定时器的callback，也就是之前的waiter.switch, 我们再来看看这个函数（gevent.hub.Waiter.switch）：

 1     def switch(self, value=None): 2         """Switch to the greenlet if one's available. Otherwise store the value.""" 3         greenlet = self.greenlet 4         if greenlet is None: 5             self.value = value 6             self._exception = None 7         else: 8             assert getcurrent() is self.hub, "Can only use Waiter.switch method from the Hub greenlet" 9             switch = greenlet.switch10             try:11                 switch(value)12             except:13                 self.hub.handle_error(switch, *sys.exc_info())

 

　　核心代码在第8到13行，第8行保证调用到该函数的时候一定在hub这个协程中，这是很自然的，因为这个函数一定是在Hub.run中被调用。第11行switch到waiter.greenlet这个协程，在讲解waiter.get的时候就提到了waiter.greenlet是main greenlet。注意，这里得switch会回到main greenlet被切出的地方（也就是main greenlet挂起的地方），那就是在waiter.get的第10行，整个逻辑也就恢复到main greenlet继续执行。

 　　总结：sleep的作用很简单，触发一个阻塞的操作，导致调用hub.wait，从当前greenlet.greenlet切换至Hub，超时之后再从hub切换到之前的greenlet继续执行。通过这个例子可以知道，gevent将任何阻塞性的操作封装成一个Watcher，然后从调用阻塞操作的协程切换到Hub，等到阻塞操作完成之后，再从Hub切换到之前的协程。

gevent调度示例2：

　　上面这个例子，虽然能够理顺gevent的调度流程，但事实上并没有体现出gevent 协作的优势。接下来看看gevent tutorial的例子：

 1 import gevent 2  3 def foo(): 4     print('Running in foo') 5     gevent.sleep(0) 6     print('Explicit context switch to foo again') 7  8 def bar(): 9     print('Explicit context to bar')10     gevent.sleep(0)11     print('Implicit context switch back to bar')12 13 gevent.joinall([14     gevent.spawn(foo),15     gevent.spawn(bar),16 ])17 18 # output19 Running in foo20 Explicit context to bar21 Explicit context switch to foo again22 Implicit context switch back to bar

 

　　从输出可以看到， foo和bar依次输出，显然是在gevent.sleep的时候发生了执行流程切换，gevent.sleep再前面已经介绍了，那么这里主要关注spawn和joinall函数

　　gevent.spawn本质调用了gevent.greenlet.Greenlet的类方法spawn：

1     @classmethod2     def spawn(cls, *args, **kwargs):3         g = cls(*args, **kwargs)4         g.start()5         return g

　　这个类方法调用了Greenlet的两个函数，__init__ 和 start. init函数中最为关键的是这段代码：　　

1     def __init__(self, run=None, *args, **kwargs):2         greenlet.__init__(self, None, get_hub()) # 将新创生的greenlet实例的parent一律设置成hub3 4         if run is not None:5             self._run = run

　　start函数的定义也很简单（gevent.greenlet.Greenlet.start）：

1 　　def start(self):2         """Schedule the greenlet to run in this loop iteration"""3         if self._start_event is None:4             self._start_event = self.parent.loop.run_callback(self.switch)

　　注册回调事件self.switch到hub.loop，注意Greenlet.switch最终会调用到Greenlet._run, 也就是spawn函数传入的callable对象(foo、bar)。这里仅仅是注册，但还没有开始事件轮询，gevent.joinall就是用来启动事件轮询并等待运行结果的。

　　joinall函数会一路调用到gevent.hub.iwait函数：

 1 def iwait(objects, timeout=None, count=None): 2     """ 3     Iteratively yield *objects* as they are ready, until all (or *count*) are ready 4     or *timeout* expired. 5     """ 6     # QQQ would be nice to support iterable here that can be generated slowly (why?) 7     if objects is None: 8         yield get_hub().join(timeout=timeout) 9         return10 11     count = len(objects) if count is None else min(count, len(objects))12     waiter = _MultipleWaiter() # _MultipleWaiter是Waiter的子类13     switch = waiter.switch14 15     if timeout is not None:16         timer = get_hub().loop.timer(timeout, priority=-1)17         timer.start(switch, _NONE)18 19     try:20         for obj in objects:21             obj.rawlink(switch) # 这里往hub.loop注册了回调22  23         for idx in xrange(count):24             print 'for in iwait', idx25             item = waiter.get() # 这里会切换到hub26             print 'come here ', item, getcurrent()27             waiter.clear()28             if item is _NONE:29                 return30             yield item31     finally:32         if timeout is not None:33             timer.stop()34         for obj in objects:35             unlink = getattr(obj, 'unlink', None)36             if unlink:37                 try:38                     unlink(switch)39                 except:40                     traceback.print_exc()

 

　　然后iwait函数第23行开始的循环，逐个调用waiter.get。这里的waiter是_MultipleWaiter(Waiter)的实例，其get函数最终调用到Waiter.get。前面已经详细介绍了Waiter.get，简而言之，就是switch到hub。我们利用greenlet的tracing功能可以看到整个greenlet.greenlet的switch流程，修改后的代码如下：

 1 import gevent 2 import greenlet 3 def callback(event, args): 4     print event, args[0], '===:>>>>', args[1] 5  6 def foo(): 7     print('Running in foo') 8     gevent.sleep(0) 9     print('Explicit context switch to foo again')10 11 def bar():12     print('Explicit context to bar')13     gevent.sleep(0)14     print('Implicit context switch back to bar')15 16 print 'main greenlet info: ', greenlet.greenlet.getcurrent()17 print 'hub info', gevent.get_hub()18 oldtrace = greenlet.settrace(callback)19         20 gevent.joinall([21     gevent.spawn(foo),22     gevent.spawn(bar),23 ])24 greenlet.settrace(oldtrace)

　　切换流程及原因见下图：

　　

　　总结：gevent.spawn创建一个新的Greenlet，并注册到hub的loop上，调用gevent.joinall或者Greenlet.join的时候开始切换到hub。

 

　　本文通过两个简单的例子并结合源码分析了gevent的协程调度流程。gevent的使用非常方便，尤其是在web server中，基本上应用App什么都不用做就能享受gevent带来的好处。笔者阅读gevent源码最重要的原因在于想了解gevent对greenlet的封装和使用，greenlet很强大，强大到容易出错，而gevent保证在两层协程之间切换，值得借鉴！

 

references：

http://www.cnblogs.com/xybaby/p/6337944.html

http://www.gevent.org/

https://pypi.python.org/pypi/greenlet

http://software.schmorp.de/pkg/libev.html

http://libevent.org/

http://eventlet.net/

http://nichol.as/benchmark-of-python-web-servers

http://libev.schmorp.de/bench.html

http://sdiehl.github.io/gevent-tutorial/