Lua | 每日一練 (4)

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  • Lua | 每日一練 (4)
    • 題目
    • 參考答案
      • 線程和協程
        • 調度方式
        • 上下文切換
        • 資源占用
        • 實現機制
        • 使用場景
      • `lua` 中的協程
        • 協程的生命周期
        • 主要函數
          • 創建協程
          • 啟動或恢復協程
          • 檢查當前是否在主協程中運行
          • 暫停協程
          • 檢測協程是否可暫停
          • 獲取協程狀態
          • 包裝函數
          • 關閉協程
        • 具體使用

Lua | 每日一練 (4)

題目

協程和線程有何區別？簡述 lua 中的協程。

參考答案

線程和協程

協程和線程雖然在某些方面有相似之處，但它們在設計目標、實現原理和使用方式上有很大的區別。下面從調用方式、上下文切換、資源使用、實現機制、使用場景這幾個方面進行闡述。

調度方式
  • 線程：線程的執行由操作系統內核控制，操作系統會根據調度算法（如時間片輪轉、優先級調度等）自動切換線程的執行。另外，線程的切換時間點不可預測，程序無法直接控制線程的暫停和恢復。
  • 協程：協程的執行由程序顯式控制，需要開發者通過 coroutine.yield 和 coroutine.resume 顯式地暫停和恢復協程。協程的切換完全由程序邏輯決定，切換點是明確的。
上下文切換
  • 線程：線程切換涉及操作系統內核的上下文切換，需要保存和恢復線程的寄存器狀態、棧信息等，開銷較大。
  • 協程：協程的上下文切換在用戶態完成，不需要操作系統內核介入，開銷非常小。
資源占用
  • 線程：每個線程都有自己的棧空間，通常默認分配 8 MB，資源占用較大。如果線程數量過多會導致系統資源耗盡。
$ ulimit -s
8192
  • 協程：協程的棧空間是動態分配的，通常占用較少的內存。另外，協程的數量可以非常大，適合處理大規模的并發任務。
實現機制
  • 線程：線程是操作系統提供的并發機制，由操作系統內核管理。線程的創建和銷毀需要系統調用，涉及內核態和用戶態的切換。
  • 協程：協程是語言層面的機制，由 lua 解釋器實現。協程的創建和切換完全在用戶態完成，不涉及操作系統內核。
使用場景
  • 線程：適合處理真正的并發任務，例如多核 CPU 上的并行計算，處理 I/O 密集型任務。
  • 協程：適合處理單核 CPU 上的并發任務，尤其是需要頻繁切換的場景；適合實現非阻塞 I/O 操作，例如網絡編程中的異步請求處理。

lua 中的協程

在 lua 中，協程是實現異步編程的核心工具之一。由于 lua 本身沒有內置的多線程支持，而協程提供了一種輕量級的并發機制，可以用來模擬異步操作，從而實現非阻塞的程序設計。

協程的生命周期

lua 協程的生命周期包括以下幾個階段：

  • 創建：使用 coroutine.create 創建一個協程。此時協程處于掛起狀態，尚未開始執行。
  • 運行：使用 coroutine.resume 啟動或恢復協程的執行。
  • 暫停：在協程執行過程中，可以通過 coroutine.yield 暫停協程的執行，將控制權交回主程序。
  • 結束：當協程運行完成或因錯誤終止時，協程進入結束狀態。

協程的狀態之間切換，如下圖所示：

在這里插入圖片描述

主要函數

下面介紹 lua 中關于協程的主要函數。

創建協程
local co = coroutine.create(f)
  • f：協程函數，表示協程的主體邏輯。
  • 返回一個協程對象 co，類型為 thread。協程對象可以用于后續的 coroutine.resume 和 coroutine.yield 等操作。

例如：

-- func 是協程函數，主體邏輯
local function func()print("Coroutine is running")
end-- 創建協程
local co = coroutine.create(func)
print(co) -- thread: 0x60f0c8666df8
啟動或恢復協程
ok, ... = coroutine.resume(co, ...)
  • co：要啟動或者恢復的協程對象。
  • ...：可選參數，這些參數會傳遞給協程中的 coroutine.yield 或協程的入口函數。
  • ok：布爾值，表示協程是否成功恢復。如果協程因錯誤終止，返回 false。
  • ...：協程中 coroutine.yield 的返回值。如果協程運行完成，返回值為 nil。

說明：

  • 如果協程處于 suspended 狀態，coroutine.resume 會啟動或恢復協程的執行。
  • 如果協程已經處于 running 狀態，調用 coroutine.resume 會拋出錯誤。
  • 如果協程已經處于 dead 狀態，調用 coroutine.resume 也會拋出錯誤。

例如：

local function func(x, y)print("Coroutine started with:", x, y) -- Coroutine started with:	10	20
endlocal co = coroutine.create(func)local ok, result = coroutine.resume(co, 10, 20)
print(ok, result) -- true	nil
檢查當前是否在主協程中運行
current_co, is_main = coroutine.running()
  • current_co：當前運行的協程對象。
  • is_main：布爾值，表示當前是否在主協程中運行，如果是主協程返回 true，否則返回 false。

說明：

  • 用于檢查當前是否在主協程中運行，以及當前協程是否是主線程。

例如：

local function printCurrentCoroutine()local current_co, is_main = coroutine.running()print(current_co, is_main)
endprintCurrentCoroutine() -- thread: 0x61617e0492a8	truelocal co = coroutine.create(function()print("Printing from the coroutine") -- Printing from the coroutineprintCurrentCoroutine()              -- thread: 0x61617e04fec8	false
end)coroutine.resume(co) -- 啟動協程
暫停協程
... = coroutine.yield(...)
  • ...：可選參數，這些參數會傳遞給調用 coroutine.resume 的代碼。
  • 返回值是 coroutine.resume 調用時傳遞的參數。

說明：

  • coroutine.yield 用于暫停當前協程的執行，并將控制權返回給調用 coroutine.resume 的代碼。
  • 協程暫停后，可以通過再次調用 coroutine.resume 恢復執行。

例如：

local function func()print("Coroutine running")              -- Coroutine runninglocal value = coroutine.yield("Yielded value")print("Coroutine resumed with:", value) -- Coroutine resumed with:	Hello
endlocal co = coroutine.create(func)
local ok, result = coroutine.resume(co)
print(ok, result) -- true	Yielded valuelocal ok, result = coroutine.resume(co, "Hello")
print(ok, result) -- true	nil
檢測協程是否可暫停
is_yieldable = coroutine.isyieldable([co])
  • co：可選參數，表示要檢查的協程對象。默認為當前運行的協程。
  • is_yieldable：布爾值，表示協程是否可以暫停。

說明：

  • 如果協程不是主協程且不在非可暫停的 C 函數中，則返回 true。
  • 主協程調用時返回 false。
  • 協程處于 suspended、dead 狀態時 coroutine.isyieldable 仍然返回 true，因為協程對象本身仍然是有效的，并且在 lua 的語義中，dead 狀態的協程仍然可以被認為是可以暫停的（盡管它已經無法再被恢復）。

例如：

local co = coroutine.create(function()print(coroutine.isyieldable()) -- truecoroutine.yield()
end)coroutine.resume(co)             -- 啟動協程
print(coroutine.isyieldable(co)) -- true
print(coroutine.status(co))      -- suspended
coroutine.resume(co)
print(coroutine.status(co))      -- dead
print(coroutine.isyieldable(co)) -- true
print(coroutine.isyieldable())   -- false
獲取協程狀態
status = coroutine.status(co)
  • co：要檢查狀態的協程對象。
  • 返回一個字符串，表示協程的當前狀態：
    • `running：協程正在運行。
    • suspended：協程處于暫停狀態。
    • dead：協程已經運行完成或因錯誤終止。
    • normal：協程尚未啟動（初始狀態）。

例如：

local function func(co)local status = coroutine.status(co)print(status) -- runningcoroutine.yield("hello, world!")
endlocal co = coroutine.create(func)
local status = coroutine.status(co)
print(status) -- suspendedlocal ok, result = coroutine.resume(co, co)
print(ok, result) -- true	hello, world!local ok, result = coroutine.resume(co, co)
print(ok, result) -- true	nillocal status = coroutine.status(co)
print(status) -- dead
包裝函數
f = coroutine.wrap(f)
  • f：協程函數，表示協程的主體邏輯。
  • 返回一個包裝函數 f。調用這個包裝函數時，會自動啟動或恢復協程的執行。

說明：

  • coroutine.wrap 是 coroutine.create 和 coroutine.resume 的簡化版本。
  • 包裝函數的返回值是協程中 coroutine.yield 的參數。
  • 如果協程運行完成，包裝函數返回 nil；如果協程因錯誤終止，會拋出錯誤。

例如：

local wrapped = coroutine.wrap(function()print("Coroutine running")local value = coroutine.yield("Yielded value")print("Coroutine resumed with:", value)
end)local result = wrapped()
print(result)    -- Yielded valuewrapped("Hello") -- Coroutine resumed with:	Hello
關閉協程
ok, err = coroutine.close(co)

  • co：要關閉的協程對象，協程的狀態必須是 suspended 或 dead 狀態。

  • ok：布爾值，表示操作是否成功。

  • err：如果操作失敗，返回錯誤信息。

說明：

  • 關閉協程 co，將其狀態設置為 dead，并關閉協程中所有待關閉的變量。
  • 如果協程已經是 dead 狀態，調用 coroutine.close 會返回 true。

例如：

local co = coroutine.create(function()coroutine.yield() -- 暫停協程
end)coroutine.resume(co)                -- 啟動協程
print(coroutine.status(co))         -- suspendedlocal ok, err = coroutine.close(co) -- 關閉協程
print(ok, err)                      -- true	nil
print(coroutine.status(co))         -- dead
具體使用

使用協程實現經典的生產者-消費者模型。協程的暫停和恢復特性非常適合這種場景，因為生產者和消費者可以分別在協程中運行，通過共享隊列進行通信。

一個簡單的生產者-消費者模型實現，如下所示：

-- 隊列實現
local Queue = {}function Queue:new()local obj = {}setmetatable(obj, self)self.__index = selfobj.list = {}return obj
endfunction Queue:put(item)table.insert(self.list, item)
endfunction Queue:get()if #self.list <= 0 thenreturn nilendlocal item = self.list[1]table.remove(self.list, 1)return item
endfunction Queue:is_empty()return #self.list == 0
end-- 生產者函數
local function producer(queue, count)for i = 1, count doprint("Produced:", i)queue:put(i)coroutine.yield()end
end-- 消費者函數
local function consumer(queue, count)for i = 1, count dowhile queue:is_empty() doprint("Waiting for item...")coroutine.yield()endlocal item = queue:get()print("Consumed:", item)end
endlocal queue = Queue:new()
local count = 100 -- 生產/消費數量-- 創建生產者和消費者協程
local co_producer = coroutine.create(function()producer(queue, count)
end)local co_consumer = coroutine.create(function()consumer(queue, count)
end)-- 同時運行生產者和消費者協程
while coroutine.status(co_producer) ~= "dead" or coroutine.status(co_consumer) ~= "dead" doif coroutine.status(co_producer) ~= "dead" thencoroutine.resume(co_producer)endif coroutine.status(co_consumer) ~= "dead" thencoroutine.resume(co_consumer)end
end

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