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基于python yield機(jī)制的異步操作同步化編程模型

 更新時(shí)間:2016年03月18日 11:38:58   作者:編程青年的崛起  
這篇文章主要介紹了基于python yield機(jī)制的異步操作同步化編程模型,需要的朋友可以參考下

本文總結(jié)下如何在編寫python代碼時(shí)對(duì)異步操作進(jìn)行同步化模擬,從而提高代碼的可讀性和可擴(kuò)展性。

     游戲引擎一般都采用分布式框架,通過一定的策略來均衡服務(wù)器集群的資源負(fù)載,從而保證服務(wù)器運(yùn)算的高并發(fā)性和CPU高利用率,最終提高游戲的性能和負(fù)載。由于引擎的邏輯層調(diào)用是非搶占式的,服務(wù)器之間都是通過異步調(diào)用來進(jìn)行通訊,導(dǎo)致游戲邏輯無法同步執(zhí)行,所以在代碼層不得不人為地添加很多回調(diào)函數(shù),使一個(gè)原本完整的功能碎片化地分布在各個(gè)回調(diào)函數(shù)中。

異步邏輯

     以游戲中的副本評(píng)分邏輯為例,在副本結(jié)束時(shí)副本管理進(jìn)程需要收集副本中每個(gè)玩家的戰(zhàn)斗信息,再結(jié)合管理進(jìn)程內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)信息最終給出一個(gè)副本評(píng)分,發(fā)放相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)。因?yàn)槊總€(gè)玩家實(shí)體都隨機(jī)分布在不同進(jìn)程中,所以管理進(jìn)程需要通過異步調(diào)用來獲取玩家身上的戰(zhàn)斗信息。

實(shí)現(xiàn)代碼如下所示:

# -*- coding: gbk -*-
import random
 
# 玩家實(shí)體類
class Player(object):
  def __init__(self, entityId):
    super(Player, self).__init__()
    # 玩家標(biāo)識(shí)
    self.entityId = entityId
 
  def onFubenEnd(self, mailBox):
    score = random.randint(1, 10)
    print "onFubenEnd player %d score %d"%(self.entityId, score)
 
    # 向副本管理進(jìn)程發(fā)送自己的id和戰(zhàn)斗信息
    mailBox.onEvalFubenScore(self.entityId, score)
 
# 副本管理類
class FubenStub(object):
  def __init__(self, players):
    super(FubenStub, self).__init__()
    self.players = players
 
  def evalFubenScore(self):
    self.playerRelayCnt = 0
    self.totalScore = 0
 
    # 通知每個(gè)注冊(cè)的玩家,副本已經(jīng)結(jié)束,索取戰(zhàn)斗信息
    for player in self.players:
      player.onFubenEnd(self)
 
  def onEvalFubenScore(self, entityId, score):
    # 收到其中一個(gè)玩家的戰(zhàn)斗信息
    print "onEvalFubenScore player %d score %d"%(entityId, score)
    self.playerRelayCnt += 1
    self.totalScore += score
 
    # 當(dāng)收集完所有玩家的信息后,打印評(píng)分
    if len(self.players) == self.playerRelayCnt:
      print 'The fuben totalScore is %d'%self.totalScore
 
if __name__ == '__main__':
  # 模擬創(chuàng)建玩家實(shí)體
  players = [Player(i) for i in xrange(3)]
 
  # 副本開始時(shí),每個(gè)玩家將自己的MailBox注冊(cè)到副本管理進(jìn)程
  fs = FubenStub(players)
 
  # 副本進(jìn)行中
  # ....
 
  # 副本結(jié)束,開始評(píng)分
  fs.evalFubenScore()

代碼簡(jiǎn)化了副本評(píng)分邏輯的實(shí)現(xiàn),其中Player類表示游戲的玩家實(shí)體,在游戲運(yùn)行時(shí)無縫地在不同服務(wù)器中切換,F(xiàn)ubenStub表示副本的管理進(jìn)程,在副本剛開始的時(shí)候該副本內(nèi)所有玩家會(huì)將自己的MailBox注冊(cè)到管理進(jìn)程中,其中MailBox表示各個(gè)實(shí)體的遠(yuǎn)程調(diào)用句柄。在副本結(jié)束時(shí),F(xiàn)ubenStub首先向各個(gè)玩家發(fā)送副本結(jié)束消息,同時(shí)請(qǐng)求玩家的戰(zhàn)斗信息,玩家在得到消息后,將自己的戰(zhàn)斗信息發(fā)送給FubenStub;然后當(dāng)FubenStub收集完所有玩家的信息后,最終打印副本評(píng)分。

同步邏輯

    如果Player和FubenStub在同一進(jìn)程中的話,那所有的操作都可以同步完成,在FubenStub向玩家發(fā)送副本結(jié)束消息的同時(shí)可以馬上得到該玩家的戰(zhàn)斗信息,實(shí)現(xiàn)代碼如下所示:

# -*- coding: gbk -*-
 
import random
 
class Player(object):
  def __init__(self, entityId):
    super(Player, self).__init__()
    self.entityId = entityId
 
  def onFubenEnd(self, mailBox):
    score = random.randint(1, 10)
    print "onFubenEnd player %d score %d"%(self.entityId, score)
    return self.entityId, score
 
class FubenStub(object):
  def __init__(self, players):
    super(FubenStub, self).__init__()
    self.players = players
 
  def evalFubenScore(self):
    totalScore = 0
    for player in self.players:
      entityId, score = player.onFubenEnd(self)
      print "onEvalFubenScore player %d score %d"%(entityId, score)
      totalScore += score
 
    print 'The fuben totalScore is %d'%totalScore
 
if __name__ == '__main__':
  players = [Player(i) for i in xrange(3)]
 
  fs = FubenStub(players)
  fs.evalFubenScore()

 從以上兩份代碼可以看到由于異步操作,F(xiàn)ubenStub中的評(píng)分邏輯人為地分成兩個(gè)功能點(diǎn):1)向玩家發(fā)送副本結(jié)束消息;2)接受玩家的戰(zhàn)斗信息;并且兩個(gè)功能點(diǎn)分布在兩個(gè)不同的函數(shù)中。如果游戲邏輯一旦復(fù)雜,勢(shì)必會(huì)造成功能點(diǎn)分散,出現(xiàn)過多onXXX異步回調(diào)函數(shù),最終導(dǎo)致代碼的開發(fā)成本和維護(hù)成本提高,可讀性和可擴(kuò)展性下降。

     如果有一種方法,可以讓函數(shù)在異步調(diào)用時(shí)暫時(shí)掛起,并且在回調(diào)函數(shù)得到返回值后恢復(fù)執(zhí)行,那么就可以用同步化的編程模式開發(fā)異步邏輯。 

yield 關(guān)鍵字

     yield 是 Python中的一個(gè)關(guān)鍵字,凡是函數(shù)體中出現(xiàn)了 yield 關(guān)鍵字, Python將改變整個(gè)函數(shù)的上下文,調(diào)用該函數(shù)不再返回值, 而是一個(gè)生成器對(duì)象。只有調(diào)用這個(gè)生成器的迭代函數(shù)next才能開始執(zhí)行生成器對(duì)象,當(dāng)生成器對(duì)象執(zhí)行到包含 yield 表達(dá)式時(shí), 函數(shù)將暫時(shí)掛起,等待下一次next調(diào)用來恢復(fù)執(zhí)行,具體機(jī)制如下:

         1)調(diào)用生成器對(duì)象的next方法,啟動(dòng)函數(shù)執(zhí)行;

         2)當(dāng)生成器對(duì)象執(zhí)行到包含 yield 表達(dá)式時(shí), 函數(shù)掛起;

         3)下一次 next 函數(shù)調(diào)用又會(huì)驅(qū)動(dòng)該生成器對(duì)象繼續(xù)執(zhí)行此后的語句, 直到遇見下一個(gè) yield 再次掛起;

         4)如果某次 next 調(diào)用驅(qū)動(dòng)了生成器繼續(xù)執(zhí)行, 而此后函數(shù)正常結(jié)束,生成器會(huì)拋出 StopIteration 異常;

如下代碼所示:

def f():
  print "Before first yield"
  yield 1
  print "Before second yield"
  yield 2
  print "After second yield"
 
g = f()
print "Before first next"
g.next()
print "Before second next"
g.next()
print "Before third yield"
g.next()

執(zhí)行結(jié)果為:

Before first next

Before first yield

Before second next

Before second yield

Before third yield

After second yield

StopIteration

     哈,有了讓函數(shù)暫時(shí)掛起的機(jī)制,最后就剩下如何傳遞異步調(diào)用的返回值問題了。其實(shí)生成器的next函數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將參數(shù)從生成器對(duì)象內(nèi)部向外傳遞的機(jī)制,并且python還提供了一個(gè)send函數(shù)將參數(shù)從外向生成器對(duì)象內(nèi)部傳遞的機(jī)制,具體機(jī)制如下:

         1) 調(diào)用next 函數(shù)驅(qū)動(dòng)生成器時(shí), next會(huì)同時(shí)等待生成器中下一個(gè) yield 掛起,并將該yield后面的參數(shù)返回給next;

         2)往生成器中傳遞參數(shù),需要將next函數(shù)替換成send,此時(shí)send的功能與next相同(驅(qū)動(dòng)生成器執(zhí)行,等待返回值),同時(shí)send將后面的參數(shù)傳遞給生成器內(nèi)部之前掛起的yield;

如下代碼所示:

def f():
  msg = yield 'first yield msg'
  print "generator inner receive:", msg
  msg = yield 'second yield msg'
  print "generator inner receive:", msg
 
g = f()
msg = g.next()
print "generator outer receive:", msg
msg = g.send('first send msg')
print "generator outer receive:", msg
g.send('second send msg')

執(zhí)行結(jié)果為:

generator outer receive: first yield msg

generator inner receive: first send msg

generator outer receive: second yield msg

generator inner receive: second send msg

StopIteration

同步化實(shí)現(xiàn)

     好了,萬事俱備只欠東風(fēng),下面就是簡(jiǎn)單對(duì)yield機(jī)制進(jìn)行工程上封裝以方便之后開發(fā)。下面的代碼提供了一個(gè)叫IFakeSyncCall的interface,所有包含異步操作的邏輯類都可以繼承這個(gè)接口:

class IFakeSyncCall(object):
  def __init__(self):
    super(IFakeSyncCall, self).__init__()
    self.generators = {}
 
  @staticmethod
  def FAKE_SYNCALL():
    def fwrap(method):
      def fakeSyncCall(instance, *args, **kwargs):
        instance.generators[method.__name__] = method(instance, *args, **kwargs)
        func, args = instance.generators[method.__name__].next()
        func(*args)
      return fakeSyncCall
    return fwrap
 
  def onFakeSyncCall(self, identify, result):
    try:
      func, args = self.generators[identify].send(result)
      func(*args)
    except StopIteration:
      self.generators.pop(identify)

 其中interface中屬性generators用來保存類中已經(jīng)開始執(zhí)行的生成器對(duì)象;函數(shù)FAKE_SYNCALL是一個(gè)decorator,裝飾類中包含有yield的函數(shù),改變函數(shù)的調(diào)用上下文,在fakeSyncCall內(nèi)部封裝了對(duì)生成器對(duì)象的next調(diào)用;函數(shù)onFakeSyncCall封裝了所有onXXX函數(shù)的邏輯,其他實(shí)體通過調(diào)用這個(gè)函數(shù)傳遞異步回調(diào)的返回值。

下面就是經(jīng)過同步化改進(jìn)后的異步副本評(píng)分邏輯代碼:

# -*- coding: gbk -*-
import random
 
class Player(object):
  def __init__(self, entityId):
    super(Player, self).__init__()
    self.entityId = entityId
 
  def onFubenEnd(self, mailBox):
    score = random.randint(1, 10)
    print "onFubenEnd player %d score %d"%(self.entityId, score)
    mailBox.onFakeSyncCall('evalFubenScore', (self.entityId, score))
 
class FubenStub(IFakeSyncCall):
  def __init__(self, players):
    super(FubenStub, self).__init__()
    self.players = players
 
  @IFakeSyncCall.FAKE_SYNCALL()
  def evalFubenScore(self):
    totalScore = 0
    for player in self.players:
      entityId, score = yield (player.onFubenEnd, (self,))
      print "onEvalFubenScore player %d score %d"%(entityId, score)
      totalScore += score
 
    print 'the totalScore is %d'%totalScore
 
if __name__ == '__main__':
  players = [Player(i) for i in xrange(3)]
 
  fs = FubenStub(players)
  fs.evalFubenScore()

比較evalFubenScore函數(shù),基本已經(jīng)和原本的同步邏輯代碼相差無幾。

      利用yield機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步化編程模型的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以保證所有異步調(diào)用的邏輯串行化,從而保證數(shù)據(jù)的一致性和有效性,特別是在各種異步初始化流程中可以摒棄傳統(tǒng)的timer sleep機(jī)制,從源頭上扼殺一些隱藏很深的由于數(shù)據(jù)不一致性所導(dǎo)致的bug。

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