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Python asyncio高性能異步編程詳解

2年前作者：編程抗氧化分類：Toy博客閱讀(30)違法舉報

這篇具有很好參考價值的文章主要介紹了Python asyncio高性能異步編程詳解。希望對大家有所幫助。如果存在錯誤或未考慮完全的地方，請大家不吝賜教，您也可以點擊"舉報違法"按鈕提交疑問。

目錄

一、協(xié)程

1.1、greenlet實現(xiàn)協(xié)程

1.2、yield關(guān)鍵字

1.3、asyncio

1.4、async & await關(guān)鍵字

二、協(xié)程意義

三、異步編程

3.1、事件循環(huán)

3.2、快速上手

3.3、await

3.4、Task對象

3.5、asyncio.Future對象

3.5、concurrent.futures.Future對象

3.7、異步迭代器

3.8、異步上下文管理器

四、uvloop

五、實戰(zhàn)案例

5.1、異步redis

5.2、異步MySQL

5.3、FastAPI框架

六、總結(jié)

一、協(xié)程

協(xié)程不是計算機(jī)提供，程序員人為創(chuàng)造。

協(xié)程（Coroutine），也可以被稱為微線程，是一種用戶態(tài)內(nèi)的上下文切換技術(shù)。簡而言之，其實就是通過一個線程實現(xiàn)代碼塊相互切換執(zhí)行。例如：

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

func1()
func2()

實現(xiàn)協(xié)程有這么幾種方法：

greenlet，早期模塊。
yield關(guān)鍵字。
asyncio裝飾器（py3.4）
async、await關(guān)鍵字（py3.5)【推薦】

1.1、greenlet實現(xiàn)協(xié)程

pip3 install greenlet

from greenlet import greenlet


def func1():
    print(1)        # 第2步：輸出 1
    gr2.switch()    # 第3步：切換到 func2 函數(shù)
    print(2)        # 第6步：輸出 2
    gr2.switch()    # 第7步：切換到 func2 函數(shù)，從上一次執(zhí)行的位置繼續(xù)向后執(zhí)行


def func2():
    print(3)        # 第4步：輸出 3
    gr1.switch()    # 第5步：切換到 func1 函數(shù)，從上一次執(zhí)行的位置繼續(xù)向后執(zhí)行
    print(4)        # 第8步：輸出 4


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

gr1.switch() # 第1步：去執(zhí)行 func1 函數(shù)

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1.2、yield關(guān)鍵字

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


def func2():
    yield 3
    yield 4


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

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1.3、asyncio

在python3.4及之后的版本。

import asyncio

@asyncio.coroutine
def func1():
    print(1)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO請求：下載一張圖片
    yield from asyncio.sleep(2)  # 遇到IO耗時操作，自動化切換到tasks中的其他任務(wù)
    print(2)


@asyncio.coroutine
def func2():
    print(3)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO請求：下載一張圖片
    yield from asyncio.sleep(2) # 遇到IO耗時操作，自動化切換到tasks中的其他任務(wù)
    print(4)


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

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

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我們將兩個函數(shù)放到tasks中，啟動時會隨機(jī)選一個函數(shù)執(zhí)行，遇到IO阻塞自動切換。

1.4、async & await關(guān)鍵字

在python3.5及之后的版本。

import asyncio

async def func1():
    print(1)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO請求：下載一張圖片
    await asyncio.sleep(2)  # 遇到IO耗時操作，自動化切換到tasks中的其他任務(wù)
    print(2)


async def func2():
    print(3)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO請求：下載一張圖片
    await asyncio.sleep(2) # 遇到IO耗時操作，自動化切換到tasks中的其他任務(wù)
    print(4)


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

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

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二、協(xié)程意義

在一個線程中如果遇到IO等待時間，線程不會傻傻等，利用空閑的時候再去干點其他事。

案例：去下載三張圖片（網(wǎng)絡(luò)IO）。

（1）普通方式（同步）

pip install requests

import requests

def download_image(url):
    print("開始下載:",url)
    # 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，下載圖片
    response = requests.get(url)
    print("下載完成")
    # 圖片保存到本地文件
    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)

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（2）協(xié)程方式（異步）

pip install aiohttp

import aiohttp
import asyncio

INSTALL_AIOHTTP = """pip3 install aiohttp"""


async def fetch(session, url):
    print("發(fā)送請求：", 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('下載完成', 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())

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三、異步編程

3.1、事件循環(huán)

理解成為一個死循環(huán) ，去檢測并執(zhí)行某些代碼。

# 偽代碼

任務(wù)列表 = [ 任務(wù)1, 任務(wù)2, 任務(wù)3,... ]

while True:
    可執(zhí)行的任務(wù)列表，已完成的任務(wù)列表 = 去任務(wù)列表中檢查所有的任務(wù)，將'可執(zhí)行'和'已完成'的任務(wù)返回
    
    for 就緒任務(wù) in 可執(zhí)行的任務(wù)列表:
        執(zhí)行已就緒的任務(wù)
        
    for 已完成的任務(wù) in 已完成的任務(wù)列表:
        在任務(wù)列表中移除 已完成的任務(wù)

	如果 任務(wù)列表 中的任務(wù)都已完成，則終止循環(huán)

import asyncio

# 去生成或獲取一個事件循環(huán)
loop = asyncio.get_event_loop()

# 將任務(wù)放到`任務(wù)列表`
loop.run_until_complete(任務(wù))

3.2、快速上手

協(xié)程函數(shù)，定義函數(shù)時候 async def 函數(shù)名 。

協(xié)程對象，執(zhí)行協(xié)程函數(shù)() 得到的協(xié)程對象。

async def func():
    pass

result = func() # 協(xié)程對象

注意：執(zhí)行協(xié)程函數(shù)創(chuàng)建協(xié)程對象，函數(shù)內(nèi)部代碼不會執(zhí)行。

如果想要運行協(xié)程函數(shù)內(nèi)部代碼，必須要將協(xié)程對象交給事件循環(huán)來處理。

import asyncio 

async def func():
    print("快來搞我吧！")

result = func()

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

3.3、await

await + 可等待的對象（協(xié)程對象、Future、Task對象 -> IO等待）

示例1：

import asyncio

async def func():
    print("來玩呀")
    response = await asyncio.sleep(2)
    print("結(jié)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("執(zhí)行協(xié)程函數(shù)內(nèi)部代碼")

    # 遇到IO操作掛起當(dāng)前協(xié)程（任務(wù)），等IO操作完成之后再繼續(xù)往下執(zhí)行。當(dāng)前協(xié)程掛起時，事件循環(huán)可以去執(zhí)行其他協(xié)程（任務(wù)）。
    response = await others()

    print("IO請求結(jié)束，結(jié)果為：", response)
    
asyncio.run(func())

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示例3：

import asyncio


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


async def func():
    print("執(zhí)行協(xié)程函數(shù)內(nèi)部代碼")

    # 遇到IO操作掛起當(dāng)前協(xié)程（任務(wù)），等IO操作完成之后再繼續(xù)往下執(zhí)行。當(dāng)前協(xié)程掛起時，事件循環(huán)可以去執(zhí)行其他協(xié)程（任務(wù)）。
    response1 = await others()
    print("IO請求結(jié)束，結(jié)果為：", response1)
    
    response2 = await others()
    print("IO請求結(jié)束，結(jié)果為：", response2)
    
asyncio.run(func())

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await就是等待對象的值得到結(jié)果之后再繼續(xù)向下走，其實就是同步操作。

3.4、Task對象

Tasks用于并發(fā)調(diào)度協(xié)程，通過asyncio.create_task(協(xié)程對象)的方式創(chuàng)建Task對象，這樣可以讓協(xié)程加入事件循環(huán)中等待被調(diào)度執(zhí)行。除了使用 asyncio.create_task() 函數(shù)以外，還可以用低層級的 loop.create_task() 或 ensure_future() 函數(shù)。不建議手動實例化 Task 對象。

注意：asyncio.create_task() 函數(shù)在 Python 3.7 中被加入。在 Python 3.7 之前，可以改用低層級的 asyncio.ensure_future() 函數(shù)。

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開始")

    # 創(chuàng)建Task對象，將當(dāng)前執(zhí)行func函數(shù)任務(wù)添加到事件循環(huán)。
    task1 = asyncio.create_task(func())

    # 創(chuàng)建Task對象，將當(dāng)前執(zhí)行func函數(shù)任務(wù)添加到事件循環(huán)。
    task2 = asyncio.create_task(func())

    print("main結(jié)束")

    # 當(dāng)執(zhí)行某協(xié)程遇到IO操作時，會自動化切換執(zhí)行其他任務(wù)。
    # 此處的await是等待相對應(yīng)的協(xié)程全都執(zhí)行完畢并獲取結(jié)果
    ret1 = await task1
    ret2 = await task2
    print(ret1, ret2)


asyncio.run(main())

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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開始")

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

    print("main結(jié)束")

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


asyncio.run(main())

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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對象

Task繼承Future，Task對象內(nèi)部await結(jié)果的處理基于Future對象來的。

示例1：

import asyncio

async def main():
    # 獲取當(dāng)前事件循環(huán)
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # 創(chuàng)建一個任務(wù)（Future對象），這個任務(wù)什么都不干。
    fut = loop.create_future()

    # 等待任務(wù)最終結(jié)果（Future對象），沒有結(jié)果則會一直等下去。
    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():
    # 獲取當(dāng)前事件循環(huán)
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # 創(chuàng)建一個任務(wù)（Future對象），沒綁定任何行為，則這個任務(wù)永遠(yuǎn)不知道什么時候結(jié)束。
    fut = loop.create_future()

    # 創(chuàng)建一個任務(wù)（Task對象），綁定了set_after函數(shù)，函數(shù)內(nèi)部在2s之后，會給fut賦值。
    # 即手動設(shè)置future任務(wù)的最終結(jié)果，那么fut就可以結(jié)束了。
    await loop.create_task(  set_after(fut) )

    # 等待 Future對象獲取 最終結(jié)果，否則一直等下去
    data = await fut
    print(data)

asyncio.run(main())

3.5、concurrent.futures.Future對象

使用線程池、進(jìn)程池實現(xiàn)異步操作時用到的對象。

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

# 創(chuàng)建線程池
pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=5)

# 創(chuàng)建進(jìn)程池
# pool = ProcessPoolExecutor(max_workers=5)


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

案例：asyncio + 不支持異步的模塊

import asyncio
import requests


async def download_image(url):
    # 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，下載圖片（遇到網(wǎng)絡(luò)下載圖片的IO請求，自動化切換到其他任務(wù)）
    print("開始下載:", url)

    loop = asyncio.get_event_loop()
    # requests模塊默認(rèn)不支持異步操作，所以就使用線程池來配合實現(xiàn)了。
    future = loop.run_in_executor(None, requests.get, url)

    response = await future
    print('下載完成')
    # 圖片保存到本地文件
    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))

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3.7、異步迭代器

什么是異步迭代器

實現(xiàn)了 __aiter__() 和 __anext__() 方法的對象。__anext__ 必須返回一個 awaitable 對象。async for 會處理異步迭代器的 __anext__() 方法所返回的可等待對象，直到其引發(fā)一個 StopAsyncIteration 異常。由 PEP 492 引入。

什么是異步可迭代對象？

可在 async for 語句中被使用的對象。必須通過它的 __aiter__() 方法返回一個 asynchronous iterator。由 PEP 492 引入。

import asyncio

class Reader(object):
    """ 自定義異步迭代器（同時也是異步可迭代對象） """

    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、異步上下文管理器

此種對象通過定義 __aenter__() 和 __aexit__() 方法來對 async with 語句中的環(huán)境進(jìn)行控制。由 PEP 492 引入。

import asyncio


class AsyncContextManager:
	def __init__(self):
        self.conn = conn
        
    async def do_something(self):
        # 異步操作數(shù)據(jù)庫
        return 666

    async def __aenter__(self):
        # 異步鏈接數(shù)據(jù)庫
        self.conn = await asyncio.sleep(1)
        return self

    async def __aexit__(self, exc_type, exc, tb):
        # 異步關(guān)閉數(shù)據(jù)庫鏈接
		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的事件循環(huán)的替代方案。事件循環(huán) > 默認(rèn)asyncio的事件循環(huán)。

pip install uvloop

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

# 編寫asyncio的代碼，與之前寫的代碼一致。

# 內(nèi)部的事件循環(huán)自動化會變?yōu)閡vloop
asyncio.run(...)

注意：一個asgi -> uvicorn 內(nèi)部使用的就是uvloop

五、實戰(zhàn)案例

5.1、異步redis

在使用python代碼操作redis時，鏈接/操作/斷開都是網(wǎng)絡(luò)IO。

案例1：

pip install aioredis

import asyncio
import aioredis

async def execute(address, password):
    print("開始執(zhí)行", address)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：創(chuàng)建redis連接
    redis = await aioredis.create_redis(address, password=password)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：在redis中設(shè)置哈希值car，內(nèi)部在設(shè)三個鍵值對，即： redis = { car:{key1:1,key2:2,key3:3}}
    await redis.hmset_dict('car', key1=1, key2=2, key3=3)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：去redis中獲取值
    result = await redis.hgetall('car', encoding='utf-8')
    print(result)

    redis.close()
    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：關(guān)閉redis連接
    await redis.wait_closed()

    print("結(jié)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("開始執(zhí)行", address)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：先去連接 47.93.4.197:6379，遇到IO則自動切換任務(wù)，去連接47.93.4.198:6379
    redis = await aioredis.create_redis_pool(address, password=password)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    await redis.hmset_dict('car', key1=1, key2=2, key3=3)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    result = await redis.hgetall('car', encoding='utf-8')
    print(result)

    redis.close()
    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    await redis.wait_closed()

    print("結(jié)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、異步MySQL

pip install aiomysql

示例1：

import asyncio
import aiomysql


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

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：創(chuàng)建CURSOR
    cur = await conn.cursor()

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：執(zhí)行SQL
    await cur.execute("SELECT Host,User FROM user")

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：獲取SQL結(jié)果
    result = await cur.fetchall()
    print(result)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：關(guān)閉鏈接
    await cur.close()
    conn.close()


asyncio.run(execute())

示例2：

import asyncio
import aiomysql


async def execute(host, password):
    print("開始", host)
    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：先去連接 47.93.40.197，遇到IO則自動切換任務(wù)，去連接47.93.40.198:6379
    conn = await aiomysql.connect(host=host, port=3306, user='root', password=password, db='mysql')

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    cur = await conn.cursor()

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    await cur.execute("SELECT Host,User FROM user")

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    result = await cur.fetchall()
    print(result)

    # 網(wǎng)絡(luò)IO操作：遇到IO會自動切換任務(wù)
    await cur.close()
    conn.close()
    print("結(jié)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

安裝

pip install fastapi

pip install uvicorn (asgi內(nèi)部基于uvloop)

示例： luffy.py

import asyncio

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

app = FastAPI()

# 創(chuàng)建一個redis連接池
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 """
    # 如果有兩個用戶并發(fā)訪問此接口，用戶A先執(zhí)行結(jié)束并返回才能用戶B執(zhí)行，同步操作
    return {"message": "Hello World"}


@app.get("/red")
async def red():
    """ 異步操作接口 """
    
    print("請求來了")

    await asyncio.sleep(3)
    # 連接池獲取一個連接
    conn = await REDIS_POOL.acquire()
    redis = Redis(conn)

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

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

    # 連接歸還連接池
    REDIS_POOL.release(conn)

    return result


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

六、總結(jié)

最大的意義：通過一個線程利用其IO等待時間去做一些其他事情。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-829601.html

到了這里，關(guān)于Python asyncio高性能異步編程詳解的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！

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