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Python 协程（1）：yield 10 分钟入门

Python开发者  · 公众号  · Python  · 2017-07-07 17:01

正文

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来源：goodspeed

segmentfault.com/a/1190000009769387

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最近找到一本python好书《流畅的python》，是到现在为止看到的对python高级特性讲述最详细的一本。看了协程一章，做个读书笔记，加深印象。


协程定义


协程的底层架构是在pep342 中定义，并在python2.5 实现的。


python2.5 中，yield关键字可以在表达式中使用，而且生成器API中增加了 .send(value)方法。生成器可以使用.send(…)方法发送数据，发送的数据会成为生成器函数中yield表达式的值。


协程是指一个过程，这个过程与调用方协作，产出有调用方提供的值。因此，生成器可以作为协程使用。


除了 .send(…)方法，pep342 和添加了 .throw(…)（让调用方抛出异常，在生成器中处理）和.close()（终止生成器）方法。


python3.3后，pep380对生成器函数做了两处改动：


  • 生成器可以返回一个值；以前，如果生成器中给return语句提供值，会抛出SyntaxError异常。

  • 引入yield from 语法，使用它可以把复杂的生成器重构成小型的嵌套生成器，省去之前把生成器的工作委托给子生成器所需的大量模板代码。


协程生成器的基本行为


首先说明一下，协程有四个状态，可以使用inspect.getgeneratorstate(…)函数确定：


  • GEN_CREATED # 等待开始执行

  • GEN_RUNNING # 解释器正在执行（只有在多线程应用中才能看到这个状态）

  • GEN_SUSPENDED # 在yield表达式处暂停

  • GEN_CLOSED # 执行结束


#! -*- coding: utf-8 -*-

import inspect

 

# 协程使用生成器函数定义：定义体中有yield关键字。

def simple_coroutine():

    print('-> coroutine started')

    # yield 在表达式中使用；如果协程只需要从客户那里接收数据，yield关键字右边不需要加表达式（yield默认返回None）

    x = yield

    print('-> coroutine received:', x)

 

 

my_coro = simple_coroutine()

my_coro # 和创建生成器的方式一样，调用函数得到生成器对象。

# 协程处于 GEN_CREATED (等待开始状态)

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro))

 

my_coro.send(None)

# 首先要调用next()函数，因为生成器还没有启动，没有在yield语句处暂停，所以开始无法发送数据

# 发送 None 可以达到相同的效果 my_coro.send(None)

next(my_coro)

# 此时协程处于 GEN_SUSPENDED (在yield表达式处暂停)

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro))

 

# 调用这个方法后，协程定义体中的yield表达式会计算出42；现在协程会恢复，一直运行到下一个yield表达式，或者终止。

my_coro.send(42)

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro))


运行上述代码，输出结果如下


GEN_CREATED

-> coroutine started

GEN_SUSPENDED

-> coroutine received: 42

 

# 这里，控制权流动到协程定义体的尾部，导致生成器像往常一样抛出StopIteration异常

Traceback (most recent call last):

  File "/Users/gs/coroutine.py", line 18, in <module>

    my_coro.send(42)

StopIteration


send方法的参数会成为暂停yield表达式的值，所以，仅当协程处于暂停状态是才能调用send方法。如果协程还未激活（GEN_CREATED 状态）要调用next(my_coro) 激活协程，也可以调用my_coro.send(None)


如果创建协程对象后立即把None之外的值发给它，会出现下述错误：


>>> my_coro = simple_coroutine()

>>> my_coro.send(123)

 

Traceback (most recent call last):

  File "/Users/gs/coroutine.py", line 14, in <module>

    my_coro.send(123)

TypeError: can't send non-None value to a just-started generator


仔细看错误消息


can’t send non-None value to a just-started generator


最先调用next(my_coro) 这一步通常称为”预激“（prime）协程—即，让协程向前执行到第一个yield表达式，准备好作为活跃的协程使用。


再看一个两个值得协程


def simple_coro2(a):

    print('-> coroutine started: a =', a)

    b = yield a

    print('-> Received: b =', b)

    c = yield a + b

    print('-> Received: c =', c)

 

my_coro2 = simple_coro2(14)

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro2))

# 这里inspect.getgeneratorstate(my_coro2) 得到结果为 GEN_CREATED （协程未启动）

 

next(my_coro2)

# 向前执行到第一个yield 处 打印 “-> coroutine started: a = 14”

# 并且产生值 14 （yield a 执行 等待为b赋值）

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro2))

# 这里inspect.getgeneratorstate(my_coro2) 得到结果为 GEN_SUSPENDED （协程处于暂停状态）

 

my_coro2.send(28)

# 向前执行到第二个yield 处 打印 “-> Received: b = 28”

# 并且产生值 a + b = 42（yield a + b 执行 得到结果42 等待为c赋值）

print(inspect.getgeneratorstate(my_coro2))

# 这里inspect.getgeneratorstate(my_coro2) 得到结果为 GEN_SUSPENDED （协程处于暂停状态）

 

my_coro2.send(99)

# 把数字99发送给暂停协程，计算yield 表达式，得到99，然后把那个数赋值给c 打印 “-> Received: c = 99”

# 协程终止，抛出StopIteration


运行上述代码，输出结果如下


GEN_CREATED

-> coroutine started: a = 14

GEN_SUSPENDED

-> Received: b = 28

-> Received: c = 99

 

Traceback (most recent call last):

  File "/Users/gs/coroutine.py", line 37, in <module>

    my_coro2.send(99)

StopIteration


simple_coro2 协程的执行过程分为3个阶段，如下图所示



  1. 调用next(my_coro2)，打印第一个消息，然后执行yield a，产出数字14.

  2. 调用my_coro2.send(28)，把28赋值给b，打印第二个消息，然后执行 yield a + b 产生数字42

  3. 调用my_coro2.send(99)，把99赋值给c，然后打印第三个消息，协程终止。


使用装饰器预激协程


我们已经知道，协程如果不预激，不能使用send() 传入非None 数据。所以，调用my_coro.send(x)之前，一定要调用next(my_coro)。为了简化，我们会使用装饰器预激协程。


from functools import wraps

 

def coroutinue(func):

    '''

    装饰器： 向前执行到第一个`yield`表达式，预激`func`

    :param func: func name

    :return: primer

    '''

 

    @wraps(func)

    def primer(*args, **kwargs):

        # 把装饰器生成器函数替换成这里的primer函数；调用primer函数时，返回预激后的生成器。

        gen = func(*args, **kwargs)

        # 调用被被装饰函数，获取生成器对象

        next(gen)  # 预激生成器

        return gen  # 返回生成器

    return primer

 

 

# 使用方法如下

 

@coroutinue

def simple_coro(a):

    a = yield

 

simple_coro(12)  # 已经预激


终止协程和异常处理


协程中，为处理的异常会向上冒泡，传递给next函数或send方法的调用方，未处理的异常会导致协程终止。


看下边这个例子


#! -*- coding: utf-8 -*-

 

from functools import wraps

 

def coroutinue(func):

    '''

    装饰器： 向前执行到第一个`yield`表达式，预激`func`

    :param func: func name

    :return: primer

    '''

 

    @wraps(func)

    def primer(*args, **kwargs):

        # 把装饰器生成器函数替换成这里的primer函数；调用primer函数时，返回预激后的生成器。

        gen = func(*args, **kwargs)

        # 调用被被装饰函数，获取生成器对象

        next(gen)  # 预激生成器

        return gen  # 返回生成器

    return primer

 

 

@coroutinue

def averager():

    # 使用协程求平均值

    total = 0.0

    count = 0

    average = None

    while True:

        term = yield average

        total += term

        count += 1

        average = total/count

 

coro_avg = averager()

print(coro_avg.send(40))

print(coro_avg.send(50))

print(coro_avg.send('123')) # 由于发送的不是数字，导致内部有异常抛出。


执行上述代码结果如下


40.0

45.0

Traceback (most recent call last):

  File "/Users/gs/coro_exception.py", line 37, in <module>

    print(coro_avg.send('123'))

  File "/Users/gs/coro_exception.py", line 30, in averager

    total += term

TypeError: unsupported operand type(s) for +=: 'float' and 'str'


出错的原因是发送给协程的’123’值不能加到total变量上。出错后，如果再次调用 coro_avg.send(x) 方法 会抛出 StopIteration 异常。


由上边的例子我们可以知道，如果想让协程退出，可以发送给它一个特定的值。比如None和Ellipsis。（推荐使用Ellipsis，因为我们不太使用这个值）

从Python2.5 开始，我们可以在生成器上调用两个方法，显式的把异常发给协程。


这两个方法是throw和close。


generator.throw(exc_type[, exc_value[, traceback]])


这个方法使生成器在暂停的yield表达式处抛出指定的异常。如果生成器处理了抛出的异常，代码会向前执行到下一个yield表达式，而产出的值会成为调用throw方法得到的返回值。如果没有处理，则向上冒泡，直接抛出。


generator.close()


生成器在暂停的yield表达式处抛出GeneratorExit异常。如果生成器没有处理这个异常或者抛出了StopIteration异常，调用方不会报错。如果收到GeneratorExit异常，生成器一定不能产出值，否则解释器会抛出RuntimeError异常。


示例： 使用close和throw方法控制协程。


import inspect

 

 

class DemoException(Exception):

    pass

 

 

@coroutinue

def exc_handling():

    print('-> coroutine started')

    while True:

        try:

            x = yield

        except DemoException:

            print('*** DemoException handled. Conginuing...')

        else:

            # 如果没有异常显示接收到的值

            print('--> coroutine received: {!r}'.format(x))

    raise RuntimeError('This line should never run.')  # 这一行永远不会执行

 

 

exc_coro = exc_handling()

 

exc_coro.send(11)

exc_coro.send(12)

exc_coro.send(13)

exc_coro.close()

print(inspect.getgeneratorstate(exc_coro))


raise RuntimeError(‘This line should never run.’) 永远不会执行，因为只有未处理的异常才会终止循环，而一旦出现未处理的异常，协程会立即终止。


执行上述代码得到结果为：


-> coroutine started

--> coroutine received: 11

--> coroutine received: 12

--> coroutine received: 13

GEN_CLOSED    # 协程终止


上述代码，如果传入DemoException，协程不会中止，因为做了异常处理。


exc_coro = exc_handling()

 

exc_coro.send(11)

exc_coro.send(12)

exc_coro.send(13)

exc_coro.throw(DemoException) # 协程不会中止，但是如果传入的是未处理的异常，协程会终止

print(inspect.getgeneratorstate(exc_coro))

exc_coro.close()

print(inspect.getgeneratorstate(exc_coro))

 

## output

 

-> coroutine started

--> coroutine received: 11

--> coroutine received: 12

--> coroutine received: 13

*** DemoException handled. Conginuing...

GEN_SUSPENDED

GEN_CLOSED


如果不管协程如何结束都想做些处理工作，要把协程定义体重的相关代码放入try/finally块中。


@coroutinue

def exc_handling():

    print('-> coroutine started')

    try:

        while True:

            try:

                x = yield

            except DemoException:

                print('*** DemoException handled. Conginuing...')

            else:

                # 如果没有异常显示接收到的值

                print('--> coroutine received: {!r}'.format(x))

    finally:

        print('-> coroutine ending')


上述部分介绍了：


  • 生成器作为协程使用时的行为和状态

  • 使用装饰器预激协程

  • 调用方如何使用生成器对象的 .throw(…)和.close() 方法控制协程


下一部分将介绍：


  • 协程终止时如何返回值

  • yield新句法的用途和语义



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