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	用 Lua 编程
	第一部分。语言 第 9 章。协程

9.4 – 非抢占式多线程

如前所述，协程是一种协作式多线程。每个协程相当于一个线程。一对 yield-resume 将控制从一个线程切换到另一个线程。但是，与“真正的”多线程不同，协程是非抢占式的。当协程正在运行时，无法从外部停止它。它仅在显式请求时才挂起执行（通过调用 yield）。对于一些应用程序来说，这不是问题，恰恰相反。在没有抢占的情况下，编程要容易得多。您不必担心同步错误，因为线程之间的所有同步都在程序中显式指定。您只需要确保协程仅在其位于临界区外部时才产生收益。

但是，使用非抢占式多线程，每当任何线程调用阻塞操作时，整个程序都会阻塞，直到操作完成。对于大多数应用程序来说，这是不可接受的行为，这导致许多程序员将协程视为传统多线程的真正替代方案。正如我们在这里所看到的，这个问题有一个有趣的（并且事后看来很明显的）解决方案。

让我们假设一个典型的多线程情况：我们希望通过 HTTP 下载多个远程文件。当然，要下载多个远程文件，我们必须知道如何下载一个远程文件。在此示例中，我们将使用 Diego Nehab 开发的 LuaSocket 库。要下载文件，我们必须打开与其站点连接，向文件发送请求，接收文件（以块为单位），然后关闭连接。在 Lua 中，我们可以按如下方式编写此任务。首先，我们加载 LuaSocket 库

    require "luasocket"

然后，我们定义主机和我们要下载的文件。在此示例中，我们将从万维网联盟站点下载 HTML 3.2 参考规范

    host = "www.w3.org"
    file = "/TR/REC-html32.html"

然后，我们打开到该站点 80 端口（HTTP 连接的标准端口）的 TCP 连接

    c = assert(socket.connect(host, 80))

    c:send("GET " .. file .. " HTTP/1.0\r\n\r\n")

receive 方法始终返回一个字符串，其中包含它读取的内容以及另一个包含操作状态的字符串。当主机关闭连接时，我们中断接收循环。

最后，我们关闭连接

    c:close()

现在我们知道了如何下载一个文件，让我们回到下载多个文件的问题。最简单的方法是一次下载一个文件。但是，这种顺序方法（我们仅在完成前一个文件后才开始读取文件）太慢了。在读取远程文件时，程序大部分时间都在等待数据到达。更具体地说，它大部分时间都在 receive 调用中被阻塞。因此，如果程序同时下载所有文件，则可以运行得更快。然后，当一个连接没有可用数据时，程序可以从另一个连接读取。显然，协程提供了一种方便的方法来组织这些同时下载。我们为每个下载任务创建一个新线程。当一个线程没有可用数据时，它将控制权让渡给一个简单的调度程序，该调度程序调用另一个线程。

要使用协程重写程序，让我们首先将先前的下载代码重写为一个函数

    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 = receive(c)
        count = count + string.len(s)
        if status == "closed" then break end
      end
      c:close()
      print(file, count)
    end

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

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

下一个函数确保每个下载在单独的线程中运行

    threads = {}    -- list of all live threads
    function get (host, file)
      -- create coroutine
      local co = coroutine.create(function ()
        download(host, file)
      end)
      -- insert it in the list
      table.insert(threads, co)
    end

调度程序很简单。它主要是一个循环，逐个遍历所有线程。它还必须从列表中删除完成其任务的线程。当没有更多线程要运行时，它会停止循环

    function dispatcher ()
      while true do
        local n = table.getn(threads)
        if n == 0 then break end   -- no more threads to run
        for i=1,n do
          local status, res = coroutine.resume(threads[i])
          if not res then    -- thread finished its task?
            table.remove(threads, i)
            break
          end
        end
      end
    end

最后，主程序创建它需要的线程并调用调度程序。例如，要从 W3C 站点下载四个文档，主程序可以如下所示

    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")
    
    dispatcher()   -- main loop

尽管速度加快了，但这种最新实现还远未达到最佳状态。只要至少有一个线程有内容可读，一切都会很好。但是，当没有线程有数据可读时，调度程序会进行繁忙等待，逐个线程检查它们是否仍然没有数据。因此，此协程实现使用的 CPU 比顺序解决方案多近 30 倍。

为了避免这种行为，我们可以使用 LuaSocket 中的 select 函数。它允许程序在等待一组套接字中的状态更改时阻塞。我们实现中的更改很小。我们只需要更改调度程序。新版本如下

    function dispatcher ()
      while true do
        local n = table.getn(threads)
        if n == 0 then break end   -- no more threads to run
        local connections = {}
        for i=1,n do
          local status, res = coroutine.resume(threads[i])
          if not res then    -- thread finished its task?
            table.remove(threads, i)
            break
          else    -- timeout
            table.insert(connections, res)
          end
        end
        if table.getn(connections) == n then
          socket.select(connections)
        end
      end
    end

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