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）：

def sleep(seconds=0, ref=True):
    hub = get_hub()
    loop = hub.loop
    if seconds <= 0:
        waiter = Waiter()
        loop.run_callback(waiter.switch)
        waiter.get()
    else:
        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）：

def get_hub(*args, **kwargs):
    """
    Return the hub for the current thread.

    """
    hub = _threadlocal.hub
    if hub is None:
        hubtype = get_hub_class()
        hub = _threadlocal.hub = hubtype(*args, **kwargs)
    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）：

    def wait(self, watcher):
        """
        Wait until the *watcher* (which should not be started) is ready.

        """
        waiter = Waiter()
        unique = object()
        watcher.start(waiter.switch, unique)
        try:
            result = waiter.get()
            if result is not unique:
                raise InvalidSwitchError('Invalid switch into %s: %r (expected %r)' % (getcurrent(), result, unique))
        finally:
            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）：

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

    def run(self):
        """
        Entry-point to running the loop. This method is called automatically
        when the hub greenlet is scheduled; do not call it directly.

        :raises LoopExit: If the loop finishes running. This means
           that there are no other scheduled greenlets, and no active
           watchers or servers. In some situations, this indicates a
           programming error.
        """
        assert self is getcurrent(), 'Do not call Hub.run() directly'
        while True:
            loop = self.loop
            loop.error_handler = self
            try:
                loop.run()
            finally:
                loop.error_handler = None  # break the refcount cycle
            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）：

    def switch(self, value=None):
        """Switch to the greenlet if one's available. Otherwise store the value."""
        greenlet = self.greenlet
        if greenlet is None:
            self.value = value
            self._exception = None
        else:
            assert getcurrent() is self.hub, "Can only use Waiter.switch method from the Hub greenlet"
            switch = greenlet.switch
            try:
                switch(value)
            except:
                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：

import gevent

def foo():
    print('Running in foo')
    gevent.sleep(0)
    print('Explicit context switch to foo again')

def bar():
    print('Explicit context to bar')
    gevent.sleep(0)
    print('Implicit context switch back to bar')

gevent.joinall([
    gevent.spawn(foo),
    gevent.spawn(bar),
])

# output
Running in foo
Explicit context to bar
Explicit context switch to foo again
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：

    @classmethod
    def spawn(cls, *args, **kwargs):
        g = cls(*args, **kwargs)
        g.start()
        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：　　

    def __init__(self, run=None, *args, **kwargs):
        greenlet.__init__(self, None, get_hub()) # 将新创生的greenlet实例的parent一律设置成hub

        if run is not None:
            self._run = run

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

　　def start(self):
        """Schedule the greenlet to run in this loop iteration"""
        if self._start_event is None:
            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：

def iwait(objects, timeout=None, count=None):
    """
    Iteratively yield *objects* as they are ready, until all (or *count*) are ready
    or *timeout* expired.
    """
    # QQQ would be nice to support iterable here that can be generated slowly (why?)
    if objects is None:
        yield get_hub().join(timeout=timeout)
        return

    count = len(objects) if count is None else min(count, len(objects))
    waiter = _MultipleWaiter() # _MultipleWaiter是Waiter的子类
    switch = waiter.switch

    if timeout is not None:
        timer = get_hub().loop.timer(timeout, priority=-1)
        timer.start(switch, _NONE)

    try:
        for obj in objects:
            obj.rawlink(switch) # 这里往hub.loop注册了回调
 
        for idx in xrange(count):
            print 'for in iwait', idx
            item = waiter.get() # 这里会切换到hub
            print 'come here ', item, getcurrent()
            waiter.clear()
            if item is _NONE:
                return
            yield item
    finally:
        if timeout is not None:
            timer.stop()
        for obj in objects:
            unlink = getattr(obj, 'unlink', None)
            if unlink:
                try:
                    unlink(switch)
                except:
                    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：

import gevent
import greenlet
def callback(event, args):
    print event, args[0], '===:>>>>', args[1]

def foo():
    print('Running in foo')
    gevent.sleep(0)
    print('Explicit context switch to foo again')

def bar():
    print('Explicit context to bar')
    gevent.sleep(0)
    print('Implicit context switch back to bar')

print 'main greenlet info: ', greenlet.greenlet.getcurrent()
print 'hub info', gevent.get_hub()
oldtrace = greenlet.settrace(callback)
        
gevent.joinall([
    gevent.spawn(foo),
    gevent.spawn(bar),
])
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/