当前位置：首页 > article >正文

浅谈Python库之asyncio

article 2024/12/28 15:01:41

一、asyncio的介绍

asyncio是 Python 中用于编写异步 I/O（输入 / 输出）代码的库。它是在 Python 3.4 版本中引入的，主要基于协程（coroutine）的概念构建。在传统的同步编程中，程序在执行 I/O 操作（如读取文件、网络请求）时会被阻塞，等待操作完成后才能继续执行下一行代码。而asyncio允许程序在等待 I/O 操作时，将执行权交给其他任务，从而实现高效的并发执行。
例如，在一个网络爬虫程序中，需要同时向多个网站发送请求获取数据。如果使用同步方式，每次请求都要等待前一个请求完成后才能开始，这会浪费大量时间在等待响应上。而使用asyncio，可以同时发起多个请求，当一个请求在等待服务器响应时，程序可以去处理其他请求，从而大大提高效率。

二、asyncio的特点

异步非阻塞 I/O
- asyncio的核心特点是实现了异步非阻塞的 I/O 操作。这意味着当一个 I/O 操作（如网络读取或写入、文件读取等）被发起后，程序不会等待这个操作完成，而是继续执行其他代码。当 I/O 操作完成时，通过事件循环（Event Loop）来通知相应的协程继续执行后续的操作。
- 比如，在一个服务器应用程序中，当接收一个客户端的连接请求后，使用asyncio可以在等待客户端发送数据的过程中，同时处理其他已经连接的客户端的数据收发，而不是像传统的阻塞式 I/O 那样，一个客户端连接就会阻塞服务器对其他客户端的处理。
基于协程的并发模型
- 它以协程作为基本的并发单元。协程是一种轻量级的用户态线程，相比于传统的线程，协程的创建和切换成本更低。在asyncio中，协程通过async/await语法来定义和暂停 / 恢复执行。协程可以在等待 I/O 操作或者其他协程完成时暂停自己的执行，将执行权交给事件循环，当条件满足时又可以被事件循环唤醒继续执行。
- 例如，有两个协程coroutine1和coroutine2，coroutine1在执行过程中发起了一个网络请求并等待响应，此时它可以通过await暂停执行，事件循环会切换到coroutine2执行，当网络请求的响应返回时，coroutine1又可以被唤醒继续处理响应数据。
高效的事件循环机制
- asyncio有一个高效的事件循环来管理和调度协程的执行。事件循环会不断地检查各种 I/O 事件（如套接字可读、可写等）以及定时器事件等，根据事件的状态来决定唤醒哪些协程执行。这个事件循环是单线程的，但通过异步 I/O 和协程的配合，可以实现类似多线程的并发效果，并且避免了多线程带来的一些复杂性，如锁竞争、上下文切换开销等。
- 例如，在一个简单的异步 TCP 服务器中，事件循环会持续监听客户端的连接请求，当有新的连接时，它会创建一个新的协程来处理这个连接，并且在整个过程中不断地协调各个协程的执行，确保服务器能够高效地处理多个客户端的通信。

三、asyncio的使用

定义协程

使用async关键字来定义协程函数。例如：

import asyncio

async def my_coroutine():
    print("Coroutine started")
    await asyncio.sleep(1)  # 模拟一个异步操作，暂停1秒
    print("Coroutine ended")

在这个例子中，my_coroutine是一个协程函数。await asyncio.sleep(1)表示暂停协程的执行 1 秒，这个暂停期间，事件循环可以去执行其他协程。

运行协程

协程函数需要通过事件循环来运行。通常有两种方式：
方式一：直接运行协程（在 Python 3.7+）

asyncio.run(my_coroutine())

这种方式是最简单的，asyncio.run()函数会创建一个事件循环，运行协程，然后关闭事件循环。

方式二：手动创建和使用事件循环（适用于更复杂的场景）

loop = asyncio.get_event_loop()
try:
    loop.run_until_complete(my_coroutine())
finally:
    loop.close()

首先通过asyncio.get_event_loop()获取事件循环对象，然后使用loop.run_until_complete()来运行协程，直到协程完成。最后需要通过loop.close()关闭事件循环。

多个协程并发运行

可以使用asyncio.gather()来同时运行多个协程。例如：

async def coroutine1():
    print("Coroutine 1 started")
    await asyncio.sleep(2)
    print("Coroutine 1 ended")

async def coroutine2():
    print("Coroutine 2 started")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Coroutine 2 ended")

async def main():
    await asyncio.gather(coroutine1(), coroutine2())

asyncio.run(main())

在这个例子中，coroutine1和coroutine2是两个协程，asyncio.gather()函数会并发地运行这两个协程。main协程通过await asyncio.gather()来等待这两个协程都完成。整个程序的执行顺序是先启动coroutine1和coroutine2，然后coroutine2会先完成（因为它的等待时间asyncio.sleep(1)更短），最后coroutine1完成。