Lua学习笔记-9.4章-非抢占式的多线程

1、coroutine运行一系列的协作多线程。每个coroutine相当于一个thread。通过yield-resume实现在不同thread之间切换控制权。但是，跟常规的多线程不同，coroutine是非抢占式的。一个coroutine在运行的时候，不可能被其他的coroutine从外部将其挂起，只有由其本身显式地调用yield才会挂起，并交出控制权。对一些程序来说，这没有任何问题，相反，因为非抢占式的缘故，程序变得更加简单。我们不需要担心同步问题的bug，因为在threads之间的同步都是显式的。我们只需要保证在对的时刻调用yield就可以了。

使用非抢占式multithreading，不管哪个thread调用了一个阻塞的操作，那么整个程序都会被阻塞，这是不能容忍的。由于这个原因，很多程序员并不认为coroutine可以替代传统的multithreading。但是，下面我们可以看到一个有趣的解决办法。

2、一个很典型的multithreading场景：通过http下载多个remote files。先来看下如何下载一个文件，这需要使用LuaSocket库，如果你的开发环境没有这个库的话，可以 Lua基础 安装LuaSocket，了解下如何在Linux上安装LuaSocket。需要先创建一个到该网站的连接，发送对该文件的一个请求，从而获取文件，最后关闭连接。下载一个file的lua代码如下：

local socket = require "socket"
--定义主机和指明待下载的文件
host = "www.w3.org"
file = "/TR/REC-html32.html"
--打开TCP连接，连接到80端口（这是HTTP连接的标准端口号）
c = assert(socket.connect(host, 80))--该连接操作返回一个连接对象，我们利用该连接对象发送文件的请求信息
c:send("GET " .. file .. " HTTP/1.0\r\n\r\n") -- 注意GET后和HTTP前面的空格
--读取文件块（以1kB为最小单元）
while true do
local s, status, partial = c:receive(2^10)--receive函数返回接收到的数据加上一个表示操作状态的字符串
io.write(s or partial)
if status == "closed" then--当主机断开连接时，退出循环
break
end
end

c:close()

现在回到前面说的下载多个remote files的问题。当我们接收一个remote file的时候，程序花费了大多数时间去等待数据的到来，也就是在receive函数的调用大部分是阻塞。因此，如果能够同时下载所有的files，当连接点并没有进行数据下载后，该程序可以从其他的连接点进行数据的下载，那么程序的运行速度会快很多。下面我们看一下如何用coroutine来模拟这个实现。我们为每一个下载任务创建一个thread，当一个thread没有数据可用的时候，就调用yield 将程序控制权交给一个简单的dispatcher，由dispatcher来唤醒另一个thread。下面先把之前的代码写成一个函数，但是有少许改动，不再将file的内容输出到stdout了，而只是间的的输出file
size。

function download(host, file)--并不关心file中的内容
local c = assert(socket.connect(host, 80))
local count = 0  --  counts number of bytes read
c:send("GET " .. file .. " HTTP/1.0\r\n\r\n")
while true do
local s, status, partial = receive(c)
count = count + #(s or partial)
if status == "closed" then
break
end
end
c:close()
print(file, count)
end

--上面代码中有个函数receive ，相当于下载单个文件中的实现如下,无阻塞：
function receive (connection)
return connection:receive(2^10)
end

--但是，如果要同时下载多文件的话，这个函数必须非阻塞地接收数据。在没有数据接收的时候，就调用yield挂起，交出控制权。实现应该如下：
function receive(connection)
connection:settimeout(0)  -- do not block
local s, status, partial = connection:receive(2^10)
if status == "timeout" then
coroutine.yield(connection)--当没有数据的时候，阻塞挂起
end
return s or partial, status
end

settimeout(0)将这个连接设为非阻塞模式。当status变为“timeout”时，意味着该操作还没完成就返回了，这种情况下，该thread就yield。传递给yield的non-false参数，
告诉dispatcher该线程仍然在运行。注意，即使timeout了，该连接还是会返回它已经收到的东西，存在partial变量中。

下面的代码展示了一个简单的dispatcher。表threads保存了一系列的运行中的thread。函数get 确保每个下载任务都单独一个thread。dispatcher本身是一个循环，
不断的遍历所有的thread，一个一个的去resume。
如果一个下载任务已经完成，一定要将该thread从表thread中删除。当没有thread在运行的时候，循环就停止了。最后，程序创建它需要的threads，并调用dispatcher。
例如，从w3c网站下载四个文档，程序如下所示：
require "socket"

function receive(connection)
connection:settimeout(0)  -- do not block
local s, status, partial = connection:receive(2^10)
if status == "timeout" then
coroutine.yield(connection)
end
return s or partial, status
end

function download(host, file)
local c = assert(socket.connect(host, 80))
local count = 0  --  counts number of bytes read
c:send("GET " .. file .. " HTTP/1.0\r\n\r\n")
while true do
local s, status, partial = receive(c)
count = count + #(s or partial)
if status == "closed" then
break
end
end
c:close()
print(file, count)
end

threads = {}  -- list of all live threads

function get(host, file)
-- create coroutine
local co = coroutine.create(function ()
download(host, file)
end)
-- intert it in the list
table.insert(threads, co)
end

function dispatch()
local i = 1
while true do
if threads[i] == nil then  -- no more threads?
if threads[1] == nil then -- list is empty?
break
end
i = 1  -- restart the loop
end
local status, res = coroutine.resume(threads[i])
if not res then   -- thread finished its task?
table.remove(threads, i)
else
i = i + 1
end
end
end

host = "www.w3.org"
get(host, "/TR/html401/html40.txt")
get(host, "/TR/2002/REC-xhtml1-20020801/xhtml1.pdf")
get(host, "/TR/REC-html32.html")
get(host, "/TR/2000/REC-DOM-Level-2-Core-20001113/DOM2-Core.txt")
dispatch() -- main loop

耗时大约7s左右



重新用阻塞式的顺序下载重试了一下，需要时间7s多一点，可能文件比较小，也不够多，优势并不明显。阻塞的多文件下载代码如下

function receive (connection)
return connection:receive(2^10)
end

function download(host, file)
local c = assert(socket.connect(host, 80))
local count = 0  --  counts number of bytes read
c:send("GET " .. file .. " HTTP/1.0\r\n\r\n")
while true do
local s, status, partial = receive(c)
count = count + #(s or partial)
if status == "closed" then
break
end
end
c:close()
print(file, count)
end

require "socket"

host = "www.w3.org"

download(host, "/TR/html401/html40.txt")
download(host, "/TR/2002/REC-xhtml1-20020801/xhtml1.pdf")
download(host, "/TR/REC-html32.html")
download(host, "/TR/2000/REC-DOM-Level-2-Core-20001113/DOM2-Core.txt")

下载截图：下载完成的顺序，就是代码中写的顺序：



那对于非阻塞式的这种如何优化呢？

当没有thread有数据接收时，dispatcher遍历了每一个thread去看它有没有数据过来，结果这个过程比阻塞式的版本多耗费了30倍的cpu。

为了避免这个情况，我们使用LuaSocket提供的select函数。它运行程序在等待一组sockets状态改变时阻塞。代码改动比较少，在循环中，收集timeout的连接到表connections 中，当所有的连接都timeout了，dispatcher调用select 来等待这些连接改变状态。该版本的程序，在博主开发环境测试，只需7s不到，就下载完成4个文件，除此之外，对cpu的消耗也小了很多，只比阻塞版本多一点点而已。新的dispatch代码如下：

function dispatch()
local i = 1
local connections = {}
while true do
if threads[i] == nil then  -- no more threads?
if threads[1] == nil then -- list is empty?
break
end
i = 1  -- restart the loop
connections = {}
end
local status, res = coroutine.resume(threads[i])
if not res then   -- thread finished its task?
table.remove(threads, i)
else
i = i + 1
connections[#connections + 1] = res
if #connections == #threads then   -- all threads blocked?
socket.select(connections)
end
end
end
end

耗时大约5s，提升相对明显，运行结果如下：