协程与多任务调度
在计算机科学中,多任务(multitasking)是指在同一个时间段内运行多个任务,现代计算机作为一个复杂的系统,运行的任务往往不止一个,所以多任务调度对于计算机来说尤为重要。现阶段多任务调度主要分为抢占式多任务和协作式多任务,抢占式多任务由操作系统决定进程的调度方案,而协作式多任务是当前任务主动放弃执行后,下一个任务继续进行。由于协作式任务管理受恶意程序的威胁更大,现阶段几乎所有的计算机都采用抢占式多任务管理。
现阶段,主要靠多进程或多线程的方式来实现多任务:
#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t pid; pid = fork(); if(pid < 0){ printf("Fork Error!\n"); }else if (pid > 0){ printf("This is the parent Process! Process Id is %d, Child id is %d\n",getpid(),pid); int i = 0; while(i < 10){ printf("This is parent Process output of i %d!\n",i); i++; } }else if (pid == 0){ printf("This is the child Process! Process Id is %d, parent id is %d\n",getpid(),getppid()); int j = 0; while(j < 10){ printf("This is child Process output of j %d\n",j); j++; } } return 0; }
在《协程与yield》中,我们说到了协程是一种比进程和线程更加轻量级的解决方案,也通过yield实现了协程,但最大的疑问是没有提供像进程或线程类的任务调度,没有体现出协程的优势,下面我们来实现一个简单的协程和协作式的多任务调度。
首先我们需要对任务(Task)进行包装:
class Task(): def __init__(self,taskid,coroutine): self.__taskId = taskid self.__coroutine = coroutine self.__sendValue = '' self.__beforeFirstYield = True self.isFinished = False def getTaskId(self): return self.__taskId def setValue(self,value): self.__sendValue == value def run(self): if(self.__beforeFirstYield): self.__beforeFirstYield = False return self.__coroutine.next() else: try: retval = self.__coroutine.send(self.__sendValue) return retval except StopIteration: self.isFinished = True return ""
这里的“任务”类似系统的进程,有ID,有发送给用户程序的消息sendValue.
接下来需要一个任务调度器,专门用来管理任务:
from Queue import Queue class Scheduler(): def __init__(self): self.taskQueue = Queue() self.maxTaskId = 0 self.taskMap = dict() def scheduler(self,task): self.taskQueue.put(task) def newTask(self,coroutine): self.maxTaskId+=1 task = Task(self.maxTaskId,coroutine) self.taskMap[self.maxTaskId] = task self.scheduler(task) return self.maxTaskId def KillTask(self,taskid): if not taskid in self.taskMap: return False i = 0 while i < self.taskQueue.qsize(): tmp = self.taskQueue.get() if tmp == self.taskMap[taskid]: del self.taskMap[taskid] break else: self.scheduler(tmp) i+=1 return True def run(self): while not self.taskQueue.empty(): task = self.taskQueue.get() retval = task.run() if task.isFinished: tid = task.getTaskId() del self.taskMap[tid] else: self.scheduler(task)
任务调度器是系统最核心的功能,相当于Linux中的init程序,用来管理所有的系统任务。其它任务通过注册到任务调度器来实现其功能:
def task1(): i = 0 while i < 10: print "This is task 1 i is %s"%i i+=1 yield def task2(): i = 0 while i < 10: print "This is task 2 i is %s"%i i+=1 yield sch = Scheduler() sch.newTask(task1()) sch.newTask(task2()) sch.run()
其结果输出如下,可以看出任务一和任务二确实是交替执行,实现了任务调度的功能
This is task 1 i is 0 This is task 2 i is 0 This is task 1 i is 1 This is task 2 i is 1 This is task 1 i is 2 This is task 2 i is 2 This is task 1 i is 3 This is task 2 i is 3 This is task 1 i is 4 This is task 2 i is 4 This is task 1 i is 5 This is task 2 i is 5 This is task 1 i is 6 This is task 2 i is 6 This is task 1 i is 7 This is task 2 i is 7 This is task 1 i is 8 This is task 2 i is 8 This is task 1 i is 9 This is task 2 i is 9
上面我们实现多个任务的调度,它们能够很好的交替运行,yield在这里实现上提供类一个类似中断的功能,一旦系统出现yield,调度器会自动调用另外的任务继续运行。
然而,在上面的例子中,一但我们把任务提交给调度器,对程序就没有了控制权,必须要等到任务运行结束。我们需要对任务有必要的控制权,如获取任务ID,结束任务,复制任务等等,这里需要用到和调度器的通信,这里就用到了yield的进行传值。类似Linux一样,我们可以给任务提供一些函数接口,任务通过yield把需要调用的函数传给调度器,调度器返回结果给任务,如下:
def task3(): pid = yield getpid() print "This taskid is %d"%pid i = 0 while i < 10: print "This is task 3 i is %d"%i yield
要实现上面的调用,可以添加一个系统调用类:
class SysCall(): def __init__(self,callback): self.__callback= callback def __call__(self,task,schedular): if not isinstance(task,Task): raise TypeError(task.__name__+" is not instance of Task") self.__callback(task,schedular)
然后对Scheduler类的run方法作出更改
def run(self): while not self.taskQueue.empty(): task = self.taskQueue.get() retval = task.run() if isinstance(retval,SysCall): retval(task,self) continue if task.isFinished: tid = task.getTaskId() del self.taskMap[tid] else: self.scheduler(task)
然后添加供任务使用的接口函数:
def getpid(): def tmp(task,schedular): task.setValue(task.getTaskId()) schedular.scheduler(task) return SysCall(tmp) def Killpid(): def tmp(task,scheduler): task.setValue(scheduler.KillTask(taskid)) return SysCall(tmp) def fork(): pass
这里实现SysCall的主要目的是方便调度器对传递过去的函数类型进行控制,为了系统安全考虑,防止用户提交危险函数破坏系统,不属于SysCall类的函数一律不以运行。
至此,我们实现了一个完整协程任务调度器,而不是利用yield进行简单的数据传递,yield是如此好用,以至于很多语言都逐渐加入对其的支持,如PHP5.5开始加入yield,
javascript 6(ECMAScript 6)也加入了对其的支持,虽然其使用起来有一些区别,但是原理是相通的,深入理解协程和yield,对于理解任务调度,系统原理意义重大。
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参考资料
建议继续学习:
- 编程珠玑番外篇-Q 协程的历史,现在和未来 (阅读:3806)
- 一个“蝇量级” C 语言协程库 (阅读:3075)
- 在PHP中使用协程实现多任务调度 (阅读:2257)
- 协程并发模型及使用感受 (阅读:1219)
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- 作者:Hito 来源: Hito's Blog
- 标签: 协程 多任务
- 发布时间:2016-03-23 15:50:52
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