greenlet上下文切换的原理

greenlet是Python众多协程实现技术中的一种，eventlet是基于greenlet实现的。而eventlet和libev又是gevent的核心。greenlet的上下文切换清晰易懂，可以结合IO事件循环构建出一些高效的事件处理逻辑。不同于yield类型的上下文切换，greenlet的上下文切换从表现形式上看更纯粹，可以直接switch到另一个greenlet，不用管目标greenlet是否已经在运行，不同greenlet之间处于完全对等的状态，可以相互switch。基于yield实现的协程往往只能切换回自己的直接或间接调用者，要想在嵌套的调用中切换出去是比较麻烦的。本质上是因为yield只能保留栈顶的帧，Python3对此有改进，可以通过yield from嵌套的挂起内层过程调用，但依然不能任意的切换到其他上下文。而greenlet就可以，只要一个过程被封装进一个greenlet，可以认为这个greenlet就成了一个可以随时挂起和恢复的实体。当然这种灵活性的代价是代码的逻辑会变得混乱，debug会更难，不过如果适当的使用greenlet，却可以收到很好的效果，比如之前介绍过的Motor。

协程是用户态下的上下文切换技术，是对线程时间片的再切分。所谓上下文，一般是指一个子过程调用，比如一个函数。另一方面，我们知道，Python虚拟机的原理是通过栈帧对象PyFrameObject抽象出运行时（栈，指令，符号表，常量表等），通过执行PyEval_EvalFrameEx这个C级别的函数来逐个解析字节码指令。也就是说可调用对象都是通过PyEval_EvalFrameEx来执行自己的PyFrameObject的，而按照调用的先后顺序，当前PyFrameObject的f_back指针会指向上一个PyFrameObject，这样，某一个时刻，当前线程的栈帧对象按调用的先后顺序形成了一个链表， 线程的top_frame属性正好是链表的表头（栈顶），这就是当前线程正在运行的帧。从这种状态可以看出，对于Python而言，切换当前栈顶的帧是容易的，只要保留栈顶的PyFrameObject，回退到栈顶下的一帧就行，这也是yield的基本原理。但问题是，Python的栈帧对象本身从一开始并不是为协程设计的，所以栈帧与栈帧之间的这种执行的先后顺序（其实可以理解为执行栈）语言本身却没有提供恢复和挂起的机制。这就要求假如你想任意切换上下文的话，必须实现一个机制，可以保存一个执行栈。

通过上面的分析，可以看到，要想在Python中在两个子过程中作任意的挂起和恢复的话，需要做到两点：

1. 保存当前子过程的执行栈。
2. 恢复目标子过程的执行栈，并恢复栈顶的状态继续执行。

greenlet之所以可以在任意两个greenlet之间作切换，就是因为其实现了上述的两点。其总共加起来2000多行C代码，其中内联了一小部分但确实相当关键的汇编代码，看懂greenlet的代码至少要把C语言的过程调用原理、汇编、进程的堆栈、Python的虚拟机执行原理等弄清楚，如果有一个不懂，就不用看源码了，能用起来就好。毕竟有些部分很绕，光看源码分析也不一定能完全消化吸收，有些东西也很难用文字表达，只可意会，不可言传。

greenlet的基本原理简单说起来就是:

1. 将一个子过程封装进一个greenlet里，而一个greenlet代表了一段C的栈内存。
2. 在greenlet里执行Python的子过程(通常是个函数)，当要切换出去的时候，保存当前greenlet的栈内存，方法是memcpy到堆上，也就是说每一个greenlet可能都需要在堆上保存上下文，挂起的时候就把栈内存memcpy到堆上，恢复的时候再把堆上的上下文（运行的时候栈内存的内容）拷贝到栈上，然后释放堆上的内存。
3. 恢复栈顶只需要将当前线程的top_frame修改为恢复的greenlet的top_frame就行。

greenlet的基本原则：

1. 除了main greenlet之外，任意一个greenlet都有唯一一个父greenlet。
2. 假如当前greenlet执行完毕，回到自己的父greenlet即可。
3. 可以通过给switch方法的参数来在不同greenlet之间传递数据。

greenlet实现的关键是先切换C函数的栈，而切换和恢复C的栈需要将%ebp（函数栈底）、%esp（函数栈顶）等寄存器的值保存到本地变量，而恢复的时候就可以通过从堆上拷贝的内存，来恢复寄存器的值。从而达到恢复上下文的目的。