# 异步编程-asyncio

为什么要讲?

  • 越来越多的学生都来问async异步相关问题,并且这一部分的知识点不太容易学习(异步非阻塞、asyncio)
  • 异步相关话题和框架越来越多,例如:tornado、fastapi、django 3.x asgi 、aiohttp都在异步 -> 提升性能。

如何讲解?

  • 第一部分:协程。
  • 第二部分:asyncio模块进行异步编程。
  • 第三部分:实战案例。

# 1.协程

协程不是计算机提供,程序员人为创造。

协程(Coroutine),也可以被称为微线程,是一种用户态内的上下文切换技术。简而言之,其实就是通过一个线程实现代码块相互切换执行。例如:

def func1():
	print(1)
    ...
	print(2)
	
def func2():
	print(3)
    ...
	print(4)

func1()
func2()

实现协程有这么几种方法:

  • greenlet,早期模块。
  • yield关键字。
  • asyncio装饰器(py3.4)
  • async、await关键字(py3.5)【推荐】

# 1.1 greenlet实现协程

pip3 install greenlet
from greenlet import greenlet


def func1():
    print(1)        # 第1步:输出 1
    gr2.switch()    # 第3步:切换到 func2 函数
    print(2)        # 第6步:输出 2
    gr2.switch()    # 第7步:切换到 func2 函数,从上一次执行的位置继续向后执行


def func2():
    print(3)        # 第4步:输出 3
    gr1.switch()    # 第5步:切换到 func1 函数,从上一次执行的位置继续向后执行
    print(4)        # 第8步:输出 4


gr1 = greenlet(func1)
gr2 = greenlet(func2)

gr1.switch() # 第1步:去执行 func1 函数

# 1.2 yield关键字

def func1():
    yield 1
    yield from func2()
    yield 2


def func2():
    yield 3
    yield 4


f1 = func1()
for item in f1:
    print(item)

# 1.3 asyncio

在python3.4及之后的版本。

import asyncio

@asyncio.coroutine
def func1():
    print(1)
    # 网络IO请求:下载一张图片
    yield from asyncio.sleep(2)  # 遇到IO耗时操作,自动化切换到tasks中的其他任务
    print(2)


@asyncio.coroutine
def func2():
    print(3)
    # 网络IO请求:下载一张图片
    yield from asyncio.sleep(2) # 遇到IO耗时操作,自动化切换到tasks中的其他任务
    print(4)


tasks = [
    asyncio.ensure_future( func1() ),
    asyncio.ensure_future( func2() )
]

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))

注意:遇到IO阻塞自动切换

# 1.4 async & await关键字

在python3.5及之后的版本。

import asyncio

async def func1():
    print(1)
    # 网络IO请求:下载一张图片
    await asyncio.sleep(2)  # 遇到IO耗时操作,自动化切换到tasks中的其他任务
    print(2)


async def func2():
    print(3)
    # 网络IO请求:下载一张图片
    await asyncio.sleep(2) # 遇到IO耗时操作,自动化切换到tasks中的其他任务
    print(4)


tasks = [
    asyncio.ensure_future( func1() ),
    asyncio.ensure_future( func2() )
]

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))

# 2.协程意义

在一个线程中如果遇到IO等待时间,线程不会傻傻等,利用空闲的时候再去干点其他事。

案例:去下载三张图片(网络IO)。

  • 普通方式(同步)

    """ pip3 install requests """
    
    import requests
    
    
    def download_image(url):
    	print("开始下载:",url)
        # 发送网络请求,下载图片
        response = requests.get(url)
    	print("下载完成")
        # 图片保存到本地文件
        file_name = url.rsplit('_')[-1]
        with open(file_name, mode='wb') as file_object:
            file_object.write(response.content)
    
    
    if __name__ == '__main__':
        url_list = [
            'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M02/35/A9/120x90_0_autohomecar__ChsEe12AXQ6AOOH_AAFocMs8nzU621.jpg',
            'https://www2.autoimg.cn/newsdfs/g30/M01/3C/E2/120x90_0_autohomecar__ChcCSV2BBICAUntfAADjJFd6800429.jpg',
            'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M0B/3C/65/120x90_0_autohomecar__ChcCP12BFCmAIO83AAGq7vK0sGY193.jpg'
        ]
        for item in url_list:
            download_image(item)
    
  • 协程方式(异步)

    """
    下载图片使用第三方模块aiohttp,请提前安装:pip3 install aiohttp
    """
    #!/usr/bin/env python
    # -*- coding:utf-8 -*-
    import aiohttp
    import asyncio
    
    
    async def fetch(session, url):
        print("发送请求:", url)
        async with session.get(url, verify_ssl=False) as response:
            content = await response.content.read()
            file_name = url.rsplit('_')[-1]
            with open(file_name, mode='wb') as file_object:
                file_object.write(content)
            print('下载完成',url)
    
    async def main():
        async with aiohttp.ClientSession() as session:
            url_list = [
                'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M02/35/A9/120x90_0_autohomecar__ChsEe12AXQ6AOOH_AAFocMs8nzU621.jpg',
                'https://www2.autoimg.cn/newsdfs/g30/M01/3C/E2/120x90_0_autohomecar__ChcCSV2BBICAUntfAADjJFd6800429.jpg',
                'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M0B/3C/65/120x90_0_autohomecar__ChcCP12BFCmAIO83AAGq7vK0sGY193.jpg'
            ]
            tasks = [ asyncio.create_task(fetch(session, url)) for url in url_list ]
    
            await asyncio.wait(tasks)
    
    
    if __name__ == '__main__':
        asyncio.run( main() )
    

# 3.异步编程

# 3.1 事件循环

理解成为一个死循环 ,去检测并执行某些代码。

# 伪代码

任务列表 = [ 任务1, 任务2, 任务3,... ]

while True:
    可执行的任务列表,已完成的任务列表 = 去任务列表中检查所有的任务,将'可执行'和'已完成'的任务返回
    
    for 就绪任务 in 可执行的任务列表:
        执行已就绪的任务
        
    for 已完成的任务 in 已完成的任务列表:
        在任务列表中移除 已完成的任务

	如果 任务列表 中的任务都已完成,则终止循环
import asyncio

# 去生成或获取一个事件循环
loop = asyncio.get_event_loop()

# 将任务放到`任务列表`
loop.run_until_complete(任务)

# 3.2 快速上手

协程函数,定义函数时候 async def 函数名

协程对象,执行 协程函数() 得到的协程对象。

async def func():
    pass

result = func()

注意:执行协程函数创建协程对象,函数内部代码不会执行。

如果想要运行协程函数内部代码,必须要讲协程对象交给事件循环来处理。

import asyncio 

async def func():
    print("come on!")

result = func()

# loop = asyncio.get_event_loop()
# loop.run_until_complete( result )
asyncio.run( result ) # python3.7 

# 3.3 await

await + 可等待的对象(协程对象、Future、Task对象 -> IO等待)

示例1:

import asyncio

async def func():
    print("来玩呀")
    response = await asyncio.sleep(2)
    print("结束",response)

asyncio.run( func() )

示例2:

import asyncio


async def others():
    print("start")
    await asyncio.sleep(2)
    print('end')
    return '返回值'


async def func():
    print("执行协程函数内部代码")

    # 遇到IO操作挂起当前协程(任务),等IO操作完成之后再继续往下执行。当前协程挂起时,事件循环可以去执行其他协程(任务)。
    response = await others()

    print("IO请求结束,结果为:", response)
    
asyncio.run( func() )

示例3:

import asyncio


async def others():
    print("start")
    await asyncio.sleep(2)
    print('end')
    return '返回值'


async def func():
    print("执行协程函数内部代码")

    # 遇到IO操作挂起当前协程(任务),等IO操作完成之后再继续往下执行。当前协程挂起时,事件循环可以去执行其他协程(任务)。
    response1 = await others()
    print("IO请求结束,结果为:", response1)
    
    response2 = await others()
    print("IO请求结束,结果为:", response2)
    
asyncio.run( func() )

await就是等待对象的值得到结果之后再继续向下走。

# 3.4 Task对象

Tasks are used to schedule coroutines concurrently.

When a coroutine is wrapped into a Task with functions like asyncio.create_task() (opens new window) the coroutine is automatically scheduled to run soon。

白话:在事件循环中添加多个任务的。

Tasks用于并发调度协程,通过asyncio.create_task(协程对象)的方式创建Task对象,这样可以让协程加入事件循环中等待被调度执行。除了使用 asyncio.create_task() 函数以外,还可以用低层级的 loop.create_task()ensure_future() 函数。不建议手动实例化 Task 对象。

注意:asyncio.create_task() 函数在 Python 3.7 中被加入。在 Python 3.7 之前,可以改用低层级的 asyncio.ensure_future() 函数。

示例1:

import asyncio


async def func():
    print(1)
    await asyncio.sleep(2)
    print(2)
    return "返回值"


async def main():
    print("main开始")
	
 	# 创建Task对象,将当前执行func函数任务添加到事件循环。
    task1 = asyncio.create_task( func() )
	
    # 创建Task对象,将当前执行func函数任务添加到事件循环。
    task2 = asyncio.create_task( func() )

    print("main结束")

    # 当执行某协程遇到IO操作时,会自动化切换执行其他任务。
    # 此处的await是等待相对应的协程全都执行完毕并获取结果
    ret1 = await task1
    ret2 = await task2
    print(ret1, ret2)


asyncio.run( main() )

示例2:

import asyncio


async def func():
    print(1)
    await asyncio.sleep(2)
    print(2)
    return "返回值"


async def main():
    print("main开始")

    task_list = [
        asyncio.create_task(func(), name='n1'),
        asyncio.create_task(func(), name='n2')
    ]

    print("main结束")

    done, pending = await asyncio.wait(task_list, timeout=None)
    print(done)


asyncio.run(main())

示例3:

import asyncio


async def func():
    print(1)
    await asyncio.sleep(2)
    print(2)
    return "返回值"


task_list = [
    func(),
	func(), 
]

done,pending = asyncio.run( asyncio.wait(task_list) )
print(done)

# 3.5 asyncio.Future对象

A Futureis a special low-level awaitable object that represents an eventual result of an asynchronous operation.

Task继承Future,Task对象内部await结果的处理基于Future对象来的。

示例1:

async def main():
    # 获取当前事件循环
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # 创建一个任务(Future对象),这个任务什么都不干。
    fut = loop.create_future()

    # 等待任务最终结果(Future对象),没有结果则会一直等下去。
    await fut

asyncio.run( main() )

示例2:

import asyncio


async def set_after(fut):
    await asyncio.sleep(2)
    fut.set_result("666")


async def main():
    # 获取当前事件循环
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # 创建一个任务(Future对象),没绑定任何行为,则这个任务永远不知道什么时候结束。
    fut = loop.create_future()

    # 创建一个任务(Task对象),绑定了set_after函数,函数内部在2s之后,会给fut赋值。
    # 即手动设置future任务的最终结果,那么fut就可以结束了。
    await loop.create_task(  set_after(fut) )

    # 等待 Future对象获取 最终结果,否则一直等下去
    data = await fut
    print(data)

asyncio.run( main() )

# 3.5 concurrent.futures.Future对象

使用线程池、进程池实现异步操作时用到的对象。

import time
from concurrent.futures import Future
from concurrent.futures.thread import ThreadPoolExecutor
from concurrent.futures.process import ProcessPoolExecutor


def func(value):
    time.sleep(1)
    print(value)
    return 123

# 创建线程池
pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=5)

# 创建进程池
# pool = ProcessPoolExecutor(max_workers=5)


for i in range(10):
    fut = pool.submit(func, i)
    print(fut)

以后写代码可能会存在交叉时间。例如:crm项目80%都是基于协程异步编程 + MySQL(不支持)【线程、进程做异步编程】。

import time
import asyncio
import concurrent.futures

def func1():
    # 某个耗时操作
    time.sleep(2)
    return "SB"

async def main():
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # 1. Run in the default loop's executor ( 默认ThreadPoolExecutor )
    # 第一步:内部会先调用 ThreadPoolExecutor 的 submit 方法去线程池中申请一个线程去执行func1函数,并返回一个concurrent.futures.Future对象
    # 第二步:调用asyncio.wrap_future将concurrent.futures.Future对象包装为asycio.Future对象。
    # 因为concurrent.futures.Future对象不支持await语法,所以需要包装为 asycio.Future对象 才能使用。
    fut = loop.run_in_executor(None, func1)
    result = await fut
    print('default thread pool', result)

    # 2. Run in a custom thread pool:
    # with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor() as pool:
    #     result = await loop.run_in_executor(
    #         pool, func1)
    #     print('custom thread pool', result)

    # 3. Run in a custom process pool:
    # with concurrent.futures.ProcessPoolExecutor() as pool:
    #     result = await loop.run_in_executor(
    #         pool, func1)
    #     print('custom process pool', result)

asyncio.run( main() )

案例:asyncio + 不支持异步的模块

import asyncio
import requests


async def download_image(url):
    # 发送网络请求,下载图片(遇到网络下载图片的IO请求,自动化切换到其他任务)
    print("开始下载:", url)

    loop = asyncio.get_event_loop()
    # requests模块默认不支持异步操作,所以就使用线程池来配合实现了。
    future = loop.run_in_executor(None, requests.get, url)

    response = await future
    print('下载完成')
    # 图片保存到本地文件
    file_name = url.rsplit('_')[-1]
    with open(file_name, mode='wb') as file_object:
        file_object.write(response.content)


if __name__ == '__main__':
    url_list = [
        'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M02/35/A9/120x90_0_autohomecar__ChsEe12AXQ6AOOH_AAFocMs8nzU621.jpg',
        'https://www2.autoimg.cn/newsdfs/g30/M01/3C/E2/120x90_0_autohomecar__ChcCSV2BBICAUntfAADjJFd6800429.jpg',
        'https://www3.autoimg.cn/newsdfs/g26/M0B/3C/65/120x90_0_autohomecar__ChcCP12BFCmAIO83AAGq7vK0sGY193.jpg'
    ]

    tasks = [ download_image(url)  for url in url_list]

    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete( asyncio.wait(tasks) )

# 3.7 异步迭代器

什么是异步迭代器

实现了 __aiter__() (opens new window)__anext__() (opens new window) 方法的对象。__anext__ 必须返回一个 awaitable (opens new window) 对象。async for (opens new window) 会处理异步迭代器的 __anext__() (opens new window) 方法所返回的可等待对象,直到其引发一个 StopAsyncIteration (opens new window) 异常。由 PEP 492 (opens new window) 引入。

什么是异步可迭代对象?

可在 async for (opens new window) 语句中被使用的对象。必须通过它的 __aiter__() (opens new window) 方法返回一个 asynchronous iterator (opens new window)。由 PEP 492 (opens new window) 引入。

import asyncio

class Reader(object):
    """ 自定义异步迭代器(同时也是异步可迭代对象) """

    def __init__(self):
        self.count = 0

    async def readline(self):
        # await asyncio.sleep(1)
        self.count += 1
        if self.count == 100:
            return None
        return self.count

    def __aiter__(self):
        return self

    async def __anext__(self):
        val = await self.readline()
        if val == None:
            raise StopAsyncIteration
        return val
    
async def func():
    obj = Reader()
    async for item in obj:
        print(item)
        
asyncio.run( func() )

# 3.8 异步上下文管理器

此种对象通过定义 __aenter__() (opens new window)__aexit__() (opens new window) 方法来对 async with (opens new window) 语句中的环境进行控制。由 PEP 492 (opens new window) 引入。

import asyncio


class AsyncContextManager:
	def __init__(self):
        self.conn = conn
        
    async def do_something(self):
        # 异步操作数据库
        return 666

    async def __aenter__(self):
        # 异步链接数据库
        self.conn = await asyncio.sleep(1)
        return self

    async def __aexit__(self, exc_type, exc, tb):
        # 异步关闭数据库链接
		await asyncio.sleep(1)

async def func():
    async with AsyncContextManager() as f:
        result = await f.do_something()
        print(result)

asyncio.run( func() )

# 4.uvloop

是asyncio的事件循环的替代方案。事件循环 > 默认asyncio的事件循环。

pip3 install uvloop
import asyncio
import uvloop
asyncio.set_event_loop_policy(uvloop.EventLoopPolicy())

# 编写asyncio的代码,与之前写的代码一致。

# 内部的事件循环自动化会变为uvloop
asyncio.run(...)

注意:一个asgi -> uvicorn 内部使用的就是uvloop

# 5.实战案例

# 5.1 异步redis

在使用python代码操作redis时,链接/操作/断开都是网络IO。

pip3 install aioredis

示例1:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import asyncio
import aioredis


async def execute(address, password):
    print("开始执行", address)
    # 网络IO操作:创建redis连接
    redis = await aioredis.create_redis(address, password=password)

    # 网络IO操作:在redis中设置哈希值car,内部在设三个键值对,即: redis = { car:{key1:1,key2:2,key3:3}}
    await redis.hmset_dict('car', key1=1, key2=2, key3=3)

    # 网络IO操作:去redis中获取值
    result = await redis.hgetall('car', encoding='utf-8')
    print(result)

    redis.close()
    # 网络IO操作:关闭redis连接
    await redis.wait_closed()

    print("结束", address)


asyncio.run( execute('redis://47.93.4.198:6379', "root!2345") )

示例2:

import asyncio
import aioredis


async def execute(address, password):
    print("开始执行", address)

    # 网络IO操作:先去连接 47.93.4.197:6379,遇到IO则自动切换任务,去连接47.93.4.198:6379
    redis = await aioredis.create_redis_pool(address, password=password)

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    await redis.hmset_dict('car', key1=1, key2=2, key3=3)

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    result = await redis.hgetall('car', encoding='utf-8')
    print(result)

    redis.close()
    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    await redis.wait_closed()

    print("结束", address)


task_list = [
    execute('redis://47.93.4.197:6379', "root!2345"),
    execute('redis://47.93.4.198:6379', "root!2345")
]

asyncio.run(asyncio.wait(task_list))

# 5.2 异步MySQL

pip3 install aiomysql

示例1:

import asyncio
import aiomysql


async def execute():
    # 网络IO操作:连接MySQL
    conn = await aiomysql.connect(host='127.0.0.1', port=3306, user='root', password='123', db='mysql', )

    # 网络IO操作:创建CURSOR
    cur = await conn.cursor()

    # 网络IO操作:执行SQL
    await cur.execute("SELECT Host,User FROM user")

    # 网络IO操作:获取SQL结果
    result = await cur.fetchall()
    print(result)

    # 网络IO操作:关闭链接
    await cur.close()
    conn.close()


asyncio.run(execute())

示例2:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import asyncio
import aiomysql


async def execute(host, password):
    print("开始", host)
    # 网络IO操作:先去连接 47.93.40.197,遇到IO则自动切换任务,去连接47.93.40.198:6379
    conn = await aiomysql.connect(host=host, port=3306, user='root', password=password, db='mysql')

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    cur = await conn.cursor()

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    await cur.execute("SELECT Host,User FROM user")

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    result = await cur.fetchall()
    print(result)

    # 网络IO操作:遇到IO会自动切换任务
    await cur.close()
    conn.close()
    print("结束", host)


task_list = [
    execute('47.93.41.197', "root!2345"),
    execute('47.93.40.197', "root!2345")
]

asyncio.run(asyncio.wait(task_list))

# 5.3 FastAPI框架

安装

pip3 install fastapi
pip3 install uvicorn (asgi内部基于uvloop)

示例: luffy.py

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import asyncio

import uvicorn
import aioredis
from aioredis import Redis
from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

# 创建一个redis连接池
REDIS_POOL = aioredis.ConnectionsPool('redis://47.193.14.198:6379', password="root123", minsize=1, maxsize=10)


@app.get("/")
def index():
    """ 普通操作接口 """
    return {"message": "Hello World"}


@app.get("/red")
async def red():
    """ 异步操作接口 """
    
    print("请求来了")

    await asyncio.sleep(3)
    # 连接池获取一个连接
    conn = await REDIS_POOL.acquire()
    redis = Redis(conn)

    # 设置值
    await redis.hmset_dict('car', key1=1, key2=2, key3=3)

    # 读取值
    result = await redis.hgetall('car', encoding='utf-8')
    print(result)

    # 连接归还连接池
    REDIS_POOL.release(conn)

    return result


if __name__ == '__main__':
    uvicorn.run("luffy:app", host="127.0.0.1", port=5000, log_level="info")

# 5.4 爬虫

pip3 install aiohttp
import aiohttp
import asyncio


async def fetch(session, url):
    print("发送请求:", url)
    async with session.get(url, verify_ssl=False) as response:
        text = await response.text()
        print("得到结果:", url, len(text))
        return text


async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        url_list = [
            'https://python.org',
            'https://www.baidu.com',
            'https://www.pythonav.com'
        ]
        tasks = [ asyncio.create_task(fetch(session, url)) for url in url_list]

        done,pending = await asyncio.wait(tasks)


if __name__ == '__main__':
    asyncio.run( main() )

# 总结

最大的意义:通过一个线程利用其IO等待时间去做一些其他事情。

上次更新: 11/1/2022, 4:49:35 PM