第十一讲 线程与协程

第二节 协程（Coroutine）



向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年秋季

课程幻灯片列表

提纲

1. 协程的概念

  1. 协程的实现
  2. 协程示例
  3. 协程与操作系统内核

线程存在的不足

  • 大规模并发I/O操作场景
    • 大量线程占内存总量大
    • 管理线程程开销大
      • 创建/删除/切换
    • 访问共享数据易错

协程(coroutine)的提出

协程由Melvin Conway在1963年提出并实现(Ref)

  • 作者对协程的描述是“行为与主程序相似的子例程(subroutine)”
  • 协程采用同步编程方式支持大规模并发I/O异步操作

Donald Knuth ：子例程是协程的特例

协程的定义

  • Wiki的定义：协程是一种程序组件，是由子例程（过程、函数、例程、方法、子程序）的概念泛化而来的，子例程只有一个入口点且只返回一次，协程允许多个入口点，可在指定位置挂起和恢复执行。

协程的核心思想：控制流的主动让出与恢复

协程（异步函数）与函数（同步函数）

  • 相比普通函数，协程的函数体可以挂起并在任意时刻恢复执行
    • 无栈协程是普通函数的泛化
    • 本课程中的协程限指无栈协程(Stackless Coroutine)

协程与用户线程的比较

  • 协程的内存占用比线程小
    • 线程数量越多，协程的性能优势越明显
  • 不需要多线程的锁机制，不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态，所以执行效率比多线程高很多。

协程示例(python)

def func()://普通函数
   print("a")
   print("b")
   print("c")

def func()://协程函数
  print("a")
  yield
  print("b")
  yield
  print("c")

提纲

  1. 协程的概念

2. 协程的实现

  1. 协程示例
  2. 协程与操作系统内核

协程的实现方式

2004年Lua的作者Ana Lucia de Moura和Roberto Ierusalimschy发表论文“Revisiting Coroutines”，提出依照三个因素来对协程进行分类：

  • 控制传递（Control-transfer）机制
  • 栈式（Stackful）构造
  • 编程语言中第一类（First-class）对象

基于控制传递的协程

控制传递机制：对称（Symmetric） v.s. 非对称（Asymmetric）协程

  • 对称协程：
    • 只提供一种传递操作，用于在协程间直接传递控制
    • 对称协程都是平等的，控制权直接在对称协程之间进行传递
    • 对称协程在挂起时主动指明另外一个对称协程来接收控制权
  • 非对称协程（半对称(Semi-symmetric)协程）：
    • 提供调用和挂起两种操作，非对称协程挂起时将控制返回给调用者
    • 调用者或上层管理者根据某调度策略调用其他非对称协程

对称协程的控制传递：每个协程可直接转移到其他任何一个协程

非对称协程的控制传递：只能将控制权“yield”回给启动它的协程

对称协程

对称协程是指所有协程都是对等的，每个协程可以主动挂起自己，并让出处理器给其他协程执行。对称协程不需要操作系统内核的支持，可以在用户空间中实现，具有更快的上下文切换速度和更小的内存开销。

  • 优点：简单易用，没有复杂的调度逻辑。
  • 缺点：如果某个协程死循环或阻塞，会导致整个进程挂起。

非对称协程

非对称协程是指协程和线程一起使用，协程作为线程的子任务来执行。只有线程可以主动挂起自己，而协程则由线程控制其执行状态。

  • 优点：
    • 支持并发执行，可以通过多线程实现更高的并发性。
    • 协程之间不会相互阻塞，可处理一些长时间任务。
  • 缺点：
    • 实现较为复杂。
    • 需要通过锁等机制来保证协程之间的同步和互斥。

有栈(stackful)协程和无栈(stackless)协程

  • 无栈协程：指可挂起/恢复的函数
    • 无独立的上下文空间（栈），数据保存在堆上
    • 开销： 函数调用的开销
  • 有栈协程：用户态管理并运行的线程
    • 有独立的上下文空间（栈）
    • 开销：用户态切换线程的开销

基于第一类语言对象的协程

第一类（First-class）语言对象：First-class对象 v.s. second-class对象 (是否可以作为参数传递)

  • First-class对象 : 协程被在语言中作为first-class对象
    • 可作为参数被传递，由函数创建并返回，并存储在一个数据结构中供后续操作
    • 提供了良好的编程表达力，方便开发者对协程进行操作
  • 受限协程
    • 特定用途而实现的协程，协程对象限制在指定的代码结构中

第一类（First-class）语言对象

  • 可被赋值给一个变量
  • 可嵌入到数据结构中
  • 可作为参数传递给函数
  • 可作为值被函数返回

第一类（First-class）语言对象

  • First-class 对象优势：
    • 可作为函数参数传递，使得代码更加灵活
    • 可作为函数返回值返回，方便编写高阶函数
    • 可被赋值给变量或存储在数据结构中，方便编写复杂的数据结构
  • First-class 对象劣势：
    • 可能会增加程序的开销和复杂度。
    • 可能存在安全性问题，例如对象被篡改等。
    • 可能会导致内存泄漏和性能问题。

第二类（Second-class）语言对象：不能将其作为参数传递

  • Second-class 对象优势：
    • 可以通过类型系统来保证程序的正确性
    • 可以减少程序的复杂度和开销
    • 可以提高程序的运行效率和性能
  • Second-class 对象劣势：
    • 缺乏灵活性，不能像 First-class 对象一样灵活使用
    • 不太适合处理复杂的数据结构和算法
    • 不支持函数式编程和面向对象编程的高级特性（例如不支持多态）

Rust语言中的协程Future

A future is a representation of some operation which will complete in the future.

Rust语言中的协程Future

Rust 的 Future 实现了 Async Trait，它包含了三个方法：

  • poll: 用于检查 Future 是否完成。
  • map: 用于将 Future 的结果转换为另一个类型。
  • and_then: 用于将 Future 的结果传递给下一个 Future。

使用 Future 时，可以通过链式调用的方式对多个异步任务进行串联。

Rust语言中的协程Future

use futures::future::Future;

fn main() {
    let future1 = async { 1 + 2 };
    let future2 = async { 3 + 4 };

    let result = future1
        .and_then(|x| future2.map(move |y| x + y))
        .await;

    println!("Result: {}", result);
}

基于有限状态机的Rust协程实现

async fn example(min_len: usize) -> String {
    let content = async_read_file("foo.txt").await;
    if content.len() < min_len {
        content + &async_read_file("bar.txt").await
    } else {
        content
    }
}

基于轮询的 Future的异步执行过程

协程的优点

  • 协程创建成本小，降低了内存消耗
  • 协程自己的调度器，减少了 CPU 上下文切换的开销，提高了 CPU 缓存命中率
  • 减少同步加锁，整体上提高了性能
  • 可按照同步思维写异步代码
    • 用同步的逻辑，写由协程调度的回调

协程 vs 线程 vs 进程

  • 切换
    • 进程：页表，堆，栈，寄存器
    • 线程：栈，寄存器
    • 协程：寄存器，不换栈

协程 vs 线程 vs 进程

协程适合IO密集型场景

提纲

  1. 协程的概念
  2. 协程的实现

3. 协程示例

  1. 协程与操作系统内核

支持协程的编程语言

  • 无栈协程：Rust、C++20、C、Python、Java、Javascript等
  • 有栈协程（即线程）：Go、Java2022、Python、Lua

GO协程(goroutine)

... //https://gobyexample-cn.github.io/goroutines
func f(from string) {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        fmt.Println(from, ":", i)
    }
}
func main() {
    f("direct")
    go f("goroutine")
    go func(msg string) {
        fmt.Println(msg)
    }("going")
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("done")
}

python协程

URL = 'https://httpbin.org/uuid'
async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        json_response = await response.json()
        print(json_response['uuid'])
async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        tasks = [fetch(session, URL) for _ in range(100)]
        await asyncio.gather(*tasks)
def func():
    asyncio.run(main())

// https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut/blob/master/test_asyncio.py
b6e20fef-5ad7-49d9-b8ae-84b08e0f2d35
69d42300-386e-4c49-ad77-747cae9b2316
1.5898115579998375

Rust协程

use futures::executor::block_on;

async fn hello_world() {
    println!("hello, world!");
}

fn main() {
    let future = hello_world(); // Nothing is printed
    block_on(future); // `future` is run and "hello, world!" is printed
}

https://rust-lang.github.io/async-book/01_getting_started/01_chapter.html

进程/线程/协程性能比较

单进程：28秒

import requests
from timer import timer
URL = 'https://httpbin.org/uuid'
def fetch(session, url):
    with session.get(url) as response:
        print(response.json()['uuid'])
@timer(1, 1)
def main():
    with requests.Session() as session:
        for _ in range(100):
            fetch(session, URL)

进程/线程/协程性能比较

多进程：7秒

from multiprocessing.pool import Pool
import requests
from timer import timer
URL = 'https://httpbin.org/uuid'
def fetch(session, url):
    with session.get(url) as response:
        print(response.json()['uuid'])
@timer(1, 1)
def main():
    with Pool() as pool:
        with requests.Session() as session:
            pool.starmap(fetch, [(session, URL) for _ in range(100)])

进程/线程/协程性能比较

线程：4秒

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import requests
from timer import timer
URL = 'https://httpbin.org/uuid'
def fetch(session, url):
    with session.get(url) as response:
        print(response.json()['uuid'])
@timer(1, 1)
def main():
    with ThreadPoolExecutor(max_workers=100) as executor:
        with requests.Session() as session:
            executor.map(fetch, [session] * 100, [URL] * 100)
            executor.shutdown(wait=True)

进程/线程/协程性能比较

协程：2秒

...
URL = 'https://httpbin.org/uuid'
async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        json_response = await response.json()
        print(json_response['uuid'])
async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        tasks = [fetch(session, URL) for _ in range(100)]
        await asyncio.gather(*tasks)
@timer(1, 1)
def func():
    asyncio.run(main())

Rust线程与协程的示例

Multi-threaded concurrent webserver

fn main() {
    let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:8080").unwrap(); // bind listener
    let pool = ThreadPool::new(100); // same number as max concurrent requests

    let mut count = 0; // count used to introduce delays

    // listen to all incoming request streams
    for stream in listener.incoming() {
        let stream = stream.unwrap();
        count = count + 1;
        pool.execute(move || {
            handle_connection(stream, count); // spawning each connection in a new thread
        });
    }
}

Rust线程与协程的示例

Asynchronous concurrent webserver

#[async_std::main]
async fn main() {
    let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:8080").await.unwrap(); // bind listener
    let mut count = 0; // count used to introduce delays

    loop {
        count = count + 1;
        // Listen for an incoming connection.
        let (stream, _) = listener.accept().await.unwrap();
        // spawn a new task to handle the connection
        task::spawn(handle_connection(stream, count));
    }
}

Rust线程与协程的示例

fn main() { //Asynchronous multi-threaded concurrent webserver
    let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:8080").unwrap(); // bind listener

    let mut pool_builder = ThreadPoolBuilder::new();
    pool_builder.pool_size(100);
    let pool = pool_builder.create().expect("couldn't create threadpool");
    let mut count = 0; // count used to introduce delays

    // Listen for an incoming connection.
    for stream in listener.incoming() {
        let stream = stream.unwrap();
        count = count + 1;
        let count_n = Box::new(count);

        // spawning each connection in a new thread asynchronously
        pool.spawn_ok(async {
            handle_connection(stream, count_n).await;
        });
    }
}

线程/协程性能比较

提纲

  1. 协程的概念
  2. 协程的实现
  3. 协程示例

4. 协程与操作系统内核

共享调度器：一种支持优先级的协程调度框架（本科生毕设：赵方亮、廖东海；选学，不考核）

  • 将协程作为操作系统和应用程序的最小任务单元
  • 引入协程的优先级属性，基于优先级位图，操作系统和应用程序实现协程调度

Architecture of SharedScheduler

  1. 操作系统与用户程序各自的 Executor 维护协程
  2. SharedScheduler 通过 vDSO (virtual Dynamic Shared Object) 共享给用户进程
  3. 通过 Global Bitmap 进行操作系统与用户进程之间协调调度

Coroutine Control Block

pub struct Coroutine{
 /// Immutable fields
 pub cid: CoroutineId,
 pub kind: CoroutineKind,
 /// Mutable fields
 pub priority: usize,
 pub future: Pin<Box<dyn Future<Output=()> + 'static + Send + Sync>>, 
 pub waker: Arc<Waker>,
}

  1. future、waker 字段由 Rust 协程特性决定

  2. cid 字段用于标识协程

  3. kind 字段标识协程任务类型，根据类型进行不同处理

  4. priority 字段表示优先级，实现优先级调度的关键

Coroutine state transition model

根据 CPU 和 stack 占用的情况划分为三类

  • 状态转换
    1. 就绪 <==> 运行
    2. 运行 <==> 运行挂起
    3. 运行 <==> 阻塞
    4. 阻塞 ==> 就绪

Asynchronous system call

read!(fd, buffer, cid); // Async call
read!(fd, buffer); // Sync call
  • 用户态系统调用接口，通过参数区分
  • 内核协程与异步 I/O 机制结合，内核协程完成读取、复制数据操作
    async_syscall

Message throughput

  1. kcuc: 内核协程 + 用户协程
  2. kcut：内核协程 + 用户线程
  3. ktut：内核线程 + 用户线程
  4. ktuc：内核线程 + 用户协程

Message latency

  1. SharedScheduler 同步互斥开销，不适用于低并发或低响应要求的场景
  2. 协程切换开销小
  3. SharedScheduler 适用于高并发场景

Throughput of different priority connections

prio-throughput

结论：在资源有限的条件下，高优先级协程能够得到保证

Message latency of different priority connections

prio-latency
结论：在资源有限的条件下，高优先级协程能够得到保证

小结

  1. 协程的概念
  2. 协程的实现
  3. 协程示例
  4. 协程与操作系统内核

参考文献

什么是协程？ https://zhuanlan.zhihu.com/p/172471249

并发编程漫谈之 协程详解--以python协程入手（三） https://blog.csdn.net/u013597671/article/details/89762233

协程的概念最早由Melvin Conway在1963年提出并实现，用于简化COBOL编译器的词法和句法分析器间的协作，当时他对协程的描述是“行为与主程序相似的子例程”。

并发编程漫谈之 协程详解--以python协程入手（三） https://blog.csdn.net/u013597671/article/details/89762233

协程(Coroutine)-ES中关于Generator/async/await的学习思考 https://blog.csdn.net/shenlei19911210/article/details/61194617

C++20协程原理和应用 https://zhuanlan.zhihu.com/p/498253158

并发编程漫谈之 协程详解--以python协程入手（三） https://blog.csdn.net/u013597671/article/details/89762233

出于支持并发而提供的协程通常是对称协程，用于表示独立的执行单元，如golang中的协程。用于产生值序列的协程则为非对称协程，如迭代器和生成器。 这两种控制传递机制可以相互表达，因此要提供通用协程时只须实现其中一种即可。但是，两者表达力相同并不意味着在易用性上也相同。对称协程会把程序的控制流变得相对复杂而难以理解和管理，而非对称协程的行为在某种意义上与函数类似，因为控制总是返回给调用者。使用非对称协程写出的程序更加结构化。

可通过操作系统内核获得支持。

有栈协程和无栈协程 https://cloud.tencent.com/developer/article/1888257

- 是否可以在任意嵌套函数中被挂起？ - 有栈协程：可以；无栈协程：不行

![bg right:40% 100%](figs/function-coroutine.png)

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25513336 Coroutine从入门到劝退 除此之外，wiki上还对coroutine做了分类： 非对称式协程，asymmetric coroutine。 对称式协程，symmetric coroutine。 半协程，semi-coroutine。

有栈协程和无栈协程 https://cloud.tencent.com/developer/article/1888257

Ref: https://os.phil-opp.com/async-await/#example

#### Concept of Future * Three phases in asynchronous task: 1. **Executor**: A Future is **polled** which result in the task progressing - Until a point where it can no longer make progress 2. **Reactor**: Register an **event source** that a Future is waiting for - Makes sure that it will wake the Future when event is ready 3. **Waker**: The event happens and the Future is **woken up** - Wake up to the executor which polled the Future - Schedule the future to be polled again and make further progress ---

基于轮询的 Future的异步执行过程 - 执行器会轮询 `Future`，直到最终 `Future` 需要执行某种 I/O - 该 `Future` 将被移交给处理 I/O 的反应器，即 `Future` 会等待该特定 I/O - I/O 事件发生时，反应器将使用传递的`Waker` 参数唤醒 `Future` ，传回执行器 - 循环上述三步，直到最终`future`任务完成（resolved） - 任务完成并得出结果时，执行器释放句柄和整个`Future`，整个调用过程就完成了

https://wiki.brewlin.com/wiki/compiler/rust%E5%8D%8F%E7%A8%8B_%E8%B0%83%E5%BA%A6%E5%99%A8%E5%AE%9E%E7%8E%B0/ 理解协程的核心就是暂停和恢复，rust的协程通过状态机做到这一点，golang通过独立的栈做到这一点。理解这一点很重要

Java 协程要来了 https://cloud.tencent.com/developer/article/1949981

深入Lua：协程的实现 https://zhuanlan.zhihu.com/p/99608423

Rust中的协程: Future与async/await https://zijiaw.github.io/posts/a7-rsfuture/

Go by Example 中文版: 协程 https://gobyexample-cn.github.io/goroutines

Making multiple HTTP requests using Python (synchronous, multiprocessing, multithreading, asyncio) https://www.youtube.com/watch?v=R4Oz8JUuM4s https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut

asyncio 是 Python 3.4 引入的标准库，直接内置了对异步 IO 的支持。只要在一个函数前面加上 async 关键字就可以将一个函数变为一个协程。

进程，线程和协程 (Process, Thread and Coroutine) 理论篇，实践篇，代码 python https://leovan.me/cn/2021/04/process-thread-and-coroutine-theory/ https://leovan.me/cn/2021/04/process-thread-and-coroutine-python-implementation/ https://github.com/leovan/leovan.me/tree/master/scripts/cn/2021-04-03-process-thread-and-coroutine-python-implementation

https://rust-lang.github.io/async-book/01_getting_started/01_chapter.html

用python 写一个os http://www.dabeaz.com/coroutines/ http://www.dabeaz.com/coroutines/Coroutines.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=R4Oz8JUuM4s https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut git@github.com:nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut.git

https://www.youtube.com/watch?v=R4Oz8JUuM4s https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut git@github.com:nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut.git

https://www.youtube.com/watch?v=R4Oz8JUuM4s https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut git@github.com:nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut.git

https://www.youtube.com/watch?v=R4Oz8JUuM4s https://github.com/nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut git@github.com:nikhilkumarsingh/async-http-requests-tut.git

import asyncio import aiohttp from timer import timer requirements.txt requests aiohttp

根据 CPU 和 stack 占用的情况划分为三类（创建、退出、就绪、阻塞 | 运行 | 运行挂起）

![width:750px throughput]