Python asyncio高性能异步编程 详解

目录

一、协程

1.1、greenlet实现协程

1.2、yield关键字

1.3、asyncio

1.4、async & await关键字

二、协程意义

三、异步编程

3.1、事件循环

3.2、快速上手

3.3、await

3.4、Task对象

3.5、asyncio.Future对象

3.5、concurrent.futures.Future对象

3.7、异步迭代器

3.8、异步上下文管理器

四、uvloop

五、实战案例

5.1、异步redis

5.2、异步MySQL

5.3、FastAPI框架

六、总结

---

一、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2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))

我们将两个函数放到tasks中，启动时会随机选一个函数执行，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))

二、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）。

（1）普通方式（同步）

pip 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)

（2）协程方式（异步）

pip install aiohttp

import aiohttp
import asyncio

INSTALL_AIOHTTP = """pip3 install aiohttp"""


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())

三、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() # 协程对象

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，必须要将协程对象交给事件循环来处理。

import asyncio 

async def func():
    print("快来搞我吧！")

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，其实就是同步操作。

3.4、Task对象

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() 或 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

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：

import asyncio

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)

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

什么是异步可迭代对象？

可在 async for 语句中被使用的对象。必须通过它的 __aiter__() 方法返回一个 asynchronous iterator。由 PEP 492 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__() 和 __aexit__() 方法来对 async with 语句中的环境进行控制。由 PEP 492 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() )

四、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。

pip 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

五、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。

案例1：

pip install aioredis

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://127.0.0.1:6379', "123456"))

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

pip 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：

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

pip install fastapi

pip install uvicorn (asgi内部基于uvloop)

示例： luffy.py

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 """
    # 如果有两个用户并发访问此接口，用户A先执行结束并返回才能用户B执行，同步操作
    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")

六、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。