异步IO

Posted 2020-10-14 chlewn

摘抄自廖雪峰Python教程

异步IO

异步IO模型需要一个消息循环，在消息循环中，主线程不断地重复“读取消息-处理消息”这一过程：

loop = get_event_loop()
while True:
  event = loop.get_event()
  process_event(event)

协程

又称微线程，Coroutine

协程切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程相比，线程数量越多，协程的性能优势越明显。

另一优势就是不需要多线程的锁机制。

Python对协程的支持是通过generator来实现的

generator中，可以通过for循环来迭代，也可以不断通过next()函数获取有yield语句返回的下一个值。

一个示例，传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息，一个线程读取消息，通过锁机制控制队列和等待，但一不小心就可能死锁。

改用协程，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产，效率极高：

def consumer():
  r = ‘‘
  while True:
    n = yield r
    if not n:
      return 
    print(‘[CONSUMER] Consuming %s...‘ % n)
    r = ‘200 0K‘
    
def produce(c):
  c.send(None)
  n = 0
  while n < 5:
    n = n + 1
    print(‘[PRODUCER] Producing %s...‘ % n)
    r = c.send(n)
    print(‘[PRODUCER] Consumer return: %s‘ % r)
    c.close()
    
c = consumer()
produce(c)

执行结果：

[PRODUCER] Producing 1...
[CONSUMER] Consuming 1...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 2...
[CONSUMER] Consuming 2...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 3...
[CONSUMER] Consuming 3...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 4...
[CONSUMER] Consuming 4...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 5...
[CONSUMER] Consuming 5...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK

注意到consumer函数是一个generator，把一个consumer传入produce后：

1. 首先调用c.send(None)启动生成器；
2. 然后，一旦生产了东西，通过c.send(n)切换到consumer执行；
3. consumer通过yield拿到消息，处理，又通过yield把结果传回；
4. produce拿到consumer处理的结果，继续生产下一条消息；
5. produce决定不生产了，通过c.close()关闭consumer，整个过程结束。

整个流程无锁，由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。

asyncio

asyncio的编程模型就是一个消息循环。

从asyncio模块中直接获取一个EventLoop的引用，然后把需要执行的协程推到EventLoop中执行，就实现了异步IO。

用asyncio实现Hello world代码如下：

import asyncio
@asyncio.coroutine
def hello():
  print("Hello world!")
  # 异步调用asyncio.sleep(1)
  r = yield from asyncio.sleep(1)
  print("Hello again!")
  
# 获取EventLoop：
loop = asyncio.get_event_loop()
# 执行coroutine：
loop.run_until_complete(hello())
loop.close()

@asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型，然后，我们就把这个coroutine扔到EventLoop中执行。

hello()会首先打印出Hello world!，然后，yield from语法可以让我们方便地调用另一个generator。由于asyncio.sleep()也是一个coroutine，所以线程不会等待asyncio.sleep()，而是直接中断并执行下一个消息循环。当asyncio.sleep()返回时，线程就可以从yield from拿到返回值（此处是None），然后接着执行下一行语句。

把asyncio.sleep(1)看成是一个耗时1秒的IO操作，在此期间，主线程并未等待，而是去执行EventLoop中其他可以执行的coroutine了，因此可以实现并发执行。

我们用Task封装两个coroutine试试：

import threading
import asyncio

@asyncio.coroutine
def hello():
    print(‘Hello world! (%s)‘ % threading.currentThread())
    yield from asyncio.sleep(1)
    print(‘Hello again! (%s)‘ % threading.currentThread())

loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [hello(), hello()]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

观察执行过程：

Hello world! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
Hello world! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
(暂停约1秒)
Hello again! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
Hello again! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)

由打印的当前线程名称可以看出，两个coroutine是由同一个线程并发执行的。

如果把asyncio.sleep()换成真正的IO操作，则多个coroutine就可以由一个线程并发执行。

我们用asyncio的异步网络连接来获取sina、sohu和163的网站首页：

import asyncio

@asyncio.coroutine
def wget(host):
    print(‘wget %s...‘ % host)
    connect = asyncio.open_connection(host, 80)
    reader, writer = yield from connect
    header = ‘GET / HTTP/1.0\r\nHost: %s\r\n\r\n‘ % host
    writer.write(header.encode(‘utf-8‘))
    yield from writer.drain()
    while True:
        line = yield from reader.readline()
        if line == b‘\r\n‘:
            break
        print(‘%s header > %s‘ % (host, line.decode(‘utf-8‘).rstrip()))
    # Ignore the body, close the socket
    writer.close()

loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [wget(host) for host in [‘www.sina.com.cn‘, ‘www.sohu.com‘, ‘www.163.com‘]]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

执行结果如下：

wget www.sohu.com...
wget www.sina.com.cn...
wget www.163.com...
(等待一段时间)
(打印出sohu的header)
www.sohu.com header > HTTP/1.1 200 OK
www.sohu.com header > Content-Type: text/html
...
(打印出sina的header)
www.sina.com.cn header > HTTP/1.1 200 OK
www.sina.com.cn header > Date: Wed, 20 May 2015 04:56:33 GMT
...
(打印出163的header)
www.163.com header > HTTP/1.0 302 Moved Temporarily
www.163.com header > Server: Cdn Cache Server V2.0
...

可见3个连接由一个线程通过coroutine并发完成。

小结

asyncio提供了完善的异步IO支持；

异步操作需要在coroutine中通过yield from完成；

多个coroutine可以封装成一组Task然后并发执行。

async/await

用asyncio提供的@asyncio.coroutine可以把一个generator标记为coroutine类型，然后在coroutine内部用yield from调用另一个coroutine实现异步操作

为了简化并更好地标识异步IO，Python 3.5开始，引入了新的语法async和await。

async和await是针对coroutine的新语法：

（1）把@asyncio.coroutine替换为async；

（2）把yield from替换成await

示例：

@asyncio.coroutine
def hello1():
    print("Hello world!")
    r = yield from asyncio.sleep(1)
    print("Hello again!")
    
async def hello2():
    print("Hello world!")
    r = await asyncio.sleep(1)
    print("Hello again!")

aiohttp

asyncio可以实现单线程并发IO操作

将asyncio运用到服务器段，可以用单线程+coroutine实现多用户的高并发支持

asyncio实现了TCP、UDP、SSL等协议，aiohttp是基于asyncio实现的HTTP框架

编写一个HTTP服务器，分别处理以下URL：

• / - 首页返回b‘<h1>Index</h1>‘；
• /hello/{name} - 根据URL参数返回文本hello, %s!。

代码如下：

import asyncio

from aiohttp import web

async def index(request):
    await asyncio.sleep(0.5)
    return web.Response(body=b‘<h1>Index</h1>‘)

async def hello(request):
    await asyncio.sleep(0.5)
    text = ‘<h1>hello, %s!</h1>‘ % request.match_info[‘name‘]
    return web.Response(body=text.encode(‘utf-8‘))

async def init(loop):
    app = web.Application(loop=loop)
    app.router.add_route(‘GET‘, ‘/‘, index)
    app.router.add_route(‘GET‘, ‘/hello/{name}‘, hello)
    srv = await loop.create_server(app.make_handler(), ‘127.0.0.1‘, 8000)
    print(‘Server started at http://127.0.0.1:8000...‘)
    return srv

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(init(loop))
loop.run_forever()

注意aiohttp的初始化函数init()也是一个coroutine，loop.create_server()则利用asyncio创建TCP服务。