詳解python之異步編程

更新時間：2021年12月24日 08:54:03 作者：Python_xiaowu

這篇文章主要為大家介紹了python之異步編程，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助<BR>

一、異步編程概述

異步編程是一種并發(fā)編程的模式，其關(guān)注點是通過調(diào)度不同任務之間的執(zhí)行和等待時間，通過減少處理器的閑置時間來達到減少整個程序的執(zhí)行時間；異步編程跟同步編程模型最大的不同就是其任務的切換，當遇到一個需要等待長時間執(zhí)行的任務的時候，我們可以切換到其他的任務執(zhí)行；

與多線程和多進程編程模型相比，異步編程只是在同一個線程之內(nèi)的的任務調(diào)度，無法充分利用多核CPU的優(yōu)勢，所以特別適合IO阻塞性任務；

python 版本 3.9.5

二、python的異步框架模型

python提供了asyncio模塊來支持異步編程，其中涉及到coroutines、event loops、futures三個重要概念;

event loops主要負責跟蹤和調(diào)度所有異步任務，編排具體的某個時間點執(zhí)行的任務;

coroutines是對具體執(zhí)行任務的封裝，是一個可以在執(zhí)行中暫停并切換到event loops執(zhí)行流程的特殊類型的函數(shù);其一般還需要創(chuàng)建task才能被event loops調(diào)度;

futures負責承載coroutines的執(zhí)行結(jié)果，其隨著任務在event loops中的初始化而創(chuàng)建，并隨著任務的執(zhí)行來記錄任務的執(zhí)行狀態(tài);

異步編程框架的整個執(zhí)行過程涉及三者的緊密協(xié)作；

首先事件循環(huán)啟動之后，會從任務隊列獲取第一個要執(zhí)行的coroutine，并隨之創(chuàng)建對應task和future;

然后隨著task的執(zhí)行，當遇到coroutine內(nèi)部需要切換任務的地方，task的執(zhí)行就會暫停并釋放執(zhí)行線程給event loop，event loop接著會獲取下一個待執(zhí)行的coroutine，并進行相關(guān)的初始化之后，執(zhí)行這個task;

隨著event loop執(zhí)行完隊列中的最后一個coroutine才會切換到第一個coroutine;

隨著task的執(zhí)行結(jié)束，event loops會將task清除出隊列，對應的執(zhí)行結(jié)果會同步到future中，這個過程會持續(xù)到所有的task執(zhí)行結(jié)束;

三、順序執(zhí)行多個可重疊的任務

每個任務執(zhí)行中間會暫停給定的時間，循序執(zhí)行的時間就是每個任務執(zhí)行的時間加和；

import time
def count_down(name, delay):
    indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
    n = 3
    while n:
        time.sleep(delay)
        duration = time.perf_counter() - start
        print('-' * 40)
        print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
        n -= 1
start = time.perf_counter()
count_down('A', 1)
count_down('B', 0.8)
count_down('C', 0.5)
print('-' * 40)
print('Done')
# ----------------------------------------
# 1.0010 	A = 3
# ----------------------------------------
# 2.0019 	A = 2
# ----------------------------------------
# 3.0030 	A = 1
# ----------------------------------------
# 3.8040 		B = 3
# ----------------------------------------
# 4.6050 		B = 2
# ----------------------------------------
# 5.4059 		B = 1
# ----------------------------------------
# 5.9065 			C = 3
# ----------------------------------------
# 6.4072 			C = 2
# ----------------------------------------
# 6.9078 			C = 1
# ----------------------------------------
# Done

四、異步化同步代碼

python在語法上提供了async、await兩個關(guān)鍵字來簡化將同步代碼修改為異步;

async使用在函數(shù)的def關(guān)鍵字前邊，標記這是一個coroutine函數(shù);

await用在conroutine里邊，用于標記需要暫停釋放執(zhí)行流程給event loops;

await 后邊的表達式需要返回waitable的對象，例如conroutine、task、future等;

asyncio模塊主要提供了操作event loop的方式;

我們可以通過async將count_down標記為coroutine，然后使用await和asyncio.sleep來實現(xiàn)異步的暫停，從而將控制權(quán)交給event loop；

async def count_down(name, delay, start):
    indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
    n = 3
    while n:
        await asyncio.sleep(delay)
        duration = time.perf_counter() - start
        print('-' * 40)
        print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
        n -= 1

我們定義一個異步的main方法，主要完成task的創(chuàng)建和等待任務執(zhí)行結(jié)束；

async def main():
    start = time.perf_counter()
    tasks = [asyncio.create_task(count_down(name,delay,start)) for name, delay in [('A', 1),('B', 0.8),('C', 0.5)]]
    await asyncio.wait(tasks)
    print('-' * 40)
    print('Done')

執(zhí)行我們可以看到時間已經(jīng)變?yōu)榱藞?zhí)行時間最長的任務的時間了；

asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5010 			C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8016 		B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0011 	A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0013 			C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5021 			C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6026 		B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0025 	A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4042 		B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0038 	A = 1
# ----------------------------------------
# Done

五、使用多線程克服具體任務的異步限制

異步編程要求具體的任務必須是coroutine，也就是要求方法是異步的，否則只有任務執(zhí)行完了，才能將控制權(quán)釋放給event loop；

python中的concurent.futures提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor，可以直接在異步編程中使用，從而可以在單獨的線程或者進程至今任務；

import time
import asyncio
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def count_down(name, delay, start):
    indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
    n = 3
    while n:
        time.sleep(delay)
        duration = time.perf_counter() - start
        print('-'*40)
        print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
        n -=1
async def main():
    start = time.perf_counter()
    loop = asyncio.get_running_loop()
    executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=3)
    fs = [
       loop.run_in_executor(executor, count_down, *args)  for args in [('A', 1, start), ('B', 0.8, start), ('C', 0.5, start)]
    ]
    await asyncio.wait(fs)
    print('-'*40)
    print('Done.')
asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5087 			C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8196 		B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0073 	A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0234 			C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5350 			C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6303 		B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0193 	A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4406 		B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0210 	A = 1
# ----------------------------------------
# Done.