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协程（coroutine）与生成器（generator）的底层实现有何异同？

news 来源：原创 2025/5/19 19:25:20

协程（coroutine）与生成器（generator）在 Python 中看似相似（均使用 yield 或 await 暂停执行），但底层实现和设计目标存在显著差异。以下从执行机制、内存管理和应用场景三个维度解析其异同：

1. 底层实现的演变与核心差异

(1) 生成器（Generator）

本质：通过 yield 关键字实现的惰性迭代器，用于按需生成数据。
实现机制：
- 生成器函数被调用时，返回一个生成器对象（类型为 generator）。
- 生成器对象内部维护一个栈帧（frame），保存局部变量和执行位置（f_lasti 指针）。
- 每次调用 next() 或 send() 时，恢复执行到 yield 处，并挂起当前状态。

底层数据结构：

# 生成器对象的 C 结构（CPython 源码示例）
typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyFrameObject *gi_frame;          # 当前执行栈帧
    PyObject *gi_code;                # 字节码对象
    PyObject *gi_weakreflist;          # 弱引用列表
    // ...
} PyGenObject;

(2) 协程（Coroutine）

本质：通过 async/await 实现的异步任务调度单元，用于非阻塞并发。
实现机制：
- 协程函数（async def）被调用时，返回一个协程对象（类型为 coroutine）。
- 协程对象依赖**事件循环（Event Loop）**调度，通过 await 挂起并让出控制权。
- 底层基于**生成器协程（Python 3.4 的 @asyncio.coroutine）**演化，但优化了异步语义。

底层数据结构：

# 协程对象的 C 结构（CPython 源码示例）
typedef struct {
    PyObject_HEAD
    PyObject *cr_origin;              # 协程创建位置（调试用）
    PyObject *cr_frame;               # 协程栈帧
    PyObject *cr_code;                # 字节码对象
    // ...
} PyCoroObject;

2. 关键异同对比

特性	生成器（Generator）	协程（Coroutine）
设计目标	惰性数据生成	异步并发与协作式多任务
暂停/恢复机制	`yield` 暂停，外部 `next()` 恢复	`await` 暂停，事件循环调度恢复
对象类型	`generator`	`coroutine` 或 `async_generator`
执行驱动方	外部调用者（手动迭代）	事件循环（自动调度）
状态管理	仅维护栈帧和局部变量	额外维护任务状态（如 `Future` 对象）
异常传播	通过 `throw()` 注入异常	由事件循环统一处理异常
内存消耗	轻量（单次迭代状态）	较重（需维护任务链和回调）
典型应用场景	大数据流处理、惰性计算	高并发I/O操作（如网络请求、文件读写）

3. 执行流程的底层差异

(1) 生成器的挂起与恢复

def gen():
    yield 1
    yield 2

g = gen()
print(next(g))  # 输出1
print(next(g))  # 输出2

底层操作：
1. 调用 gen() 创建生成器对象，状态为 GEN_CREATED。
2. next(g) 触发 gi_frame 执行，直到遇到 yield，状态变为 GEN_SUSPENDED。
3. 再次调用 next(g) 恢复 gi_frame 执行。

(2) 协程的调度与执行

async def coro():
    await asyncio.sleep(1)
    print("Done")

async def main():
    await coro()

asyncio.run(main())

底层操作：
1. asyncio.run() 创建事件循环，调度 main() 协程。
2. await coro() 挂起 main()，将控制权交还事件循环。
3. 事件循环监控 asyncio.sleep(1) 的完成状态，1秒后恢复 coro() 执行。

4. 性能优化与实现细节

生成器的局限性：
- 无法直接嵌套 yield 和 yield from 以外的异步操作。
- 手动管理迭代流程，难以实现高并发。
协程的优化：
- async/await 语法糖：将协程与生成器解耦，避免语义混淆。
- Task 对象封装：协程被包装为 Task，由事件循环统一调度。
- 零拷贝挂起：通过 await 直接切换协程，减少上下文切换开销。