1. 異步編程

異步編程是一種編程范式，用于處理程序中需要等待異步操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行的情況。

異步編程允許程序在執(zhí)行耗時的操作時不被阻塞，而是在等待操作完成時繼續(xù)執(zhí)行其他任務。

這對于處理諸如文件 I/O、網(wǎng)絡請求、定時器等需要等待的操作非常有用。

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• 提高程序效率和性能：異步編程使得程序在執(zhí)行耗時的 I/O 操作（如網(wǎng)絡請求、文件讀寫、數(shù)據(jù)庫查詢等）時不會被阻塞，減少了等待時間，充分利用了系統(tǒng)資源。
• 改善用戶體驗：在 Web 開發(fā)中，異步編程可以確保服務器在處理大量并發(fā)請求時能夠快速地響應用戶，從而提高了 Web 應用的響應速度和用戶體驗。

2 async/await和asyncio包

2.1 異步函數(shù)的定義

在Python中實現(xiàn)異步函數(shù)的定義需要兩個關鍵字(async和await)。

• async：async關鍵字聲明一個異步函數(shù)。它可以在執(zhí)行過程中暫停并允許其他代碼執(zhí)行。當你調(diào)用一個異步函數(shù)時，它會立即返回一個協(xié)程對象而不是實際的結果。異步函數(shù)適用于執(zhí)行耗時的I/O操作，例如網(wǎng)絡請求、文件讀寫、數(shù)據(jù)庫查詢等。這些操作通常涉及到等待外部資源的響應或者數(shù)據(jù)的傳輸，而在等待的過程中，CPU可以執(zhí)行其他任務，從而提高程序的效率。
• await：await關鍵字在Python中用于等待一個異步操作完成。當調(diào)用異步函數(shù)時，使用await關鍵字可以暫時掛起當前的異步函數(shù)的執(zhí)行，將CPU控制權還給事件循環(huán)(Event Loop)。接著事件循環(huán)可以將執(zhí)行權轉(zhuǎn)移到其他任務上，而不是一直等待當前的異步函數(shù)完成。當被await的異步操作完成后，事件循環(huán)會通知原來的異步函數(shù)，使得它可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作。

在Python中異步函數(shù)的定義需要同時滿足以下兩個條件：

• 使用async def關鍵字聲明函數(shù)。
• 函數(shù)內(nèi)部包含異步操作，并且使用了await關鍵字等待異步操作完成。如果一個函數(shù)中只使用了async def聲明，但其中任何異步操作，也沒有使用await關鍵字，那么它實際上就是一個普通的同步函數(shù)，而不是一個異步函數(shù)。

2.2 事件循環(huán)

事件循環(huán)(Event Loop)是異步編程中負責管理和調(diào)度異步任務執(zhí)行的機制。

事件循環(huán)的工作原理類似于一個持續(xù)運行的循環(huán)，它在每一輪循環(huán)中都會執(zhí)行以下幾個步驟：

• 等待任務就緒: 事件循環(huán)會等待所有注冊的異步任務就緒，包括等待 I/O 操作完成、等待計時器超時等。
• 選擇就緒任務：一旦有任務就緒，事件循環(huán)會選擇其中一個任務進行執(zhí)行。
• 執(zhí)行任務：事件循環(huán)會執(zhí)行所選擇的就緒任務，直到任務完成或者遇到await關鍵字，需要暫時掛起任務的執(zhí)行。
• 掛起任務：如果任務遇到await關鍵字，它會將控制權交還給事件循環(huán)，并等待 await后面的異步操作完成。
• 繼續(xù)執(zhí)行其他任務：在等待await的異步操作完成的過程中，事件循環(huán)會繼續(xù)執(zhí)行其他就緒的任務，從而實現(xiàn)了并發(fā)執(zhí)行的效果。
• 異步操作完成： 當一個 await 后面的異步操作完成后，事件循環(huán)會通知原來的任務，使得它可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作。

2.2 asyncio包

asyncio包python中常用的異步編程框架，這里使用該框架完成一個簡單的異步編程案例，具體如下：

import time
import datetime
import asyncio
async def async_read_file():
    print("async讀文件開始:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    await asyncio.sleep(20)
    print("async讀文件完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

def computer():
    print("普通計算密集型任務:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    sum=0
    for i in range(1000000):
        if i%250000==0 and i!=0:
            print("普通計算密集型任務正在執(zhí)行:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
        for j in range(500):
            sum+=i+j-2*j
    print("普通計算密集型任務完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

def computer2():
    print("普通CPU密集型任務:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    sum=0
    for i in range(1000000):
        if i%250000==0 and i!=0:
            print("普通CPU密集型任務正在執(zhí)行:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
        for j in range(5000):
            sum+=i+j-2*j
    print("普通CPU密集型任務完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

async def asy_main():
    task=loop.create_task(async_read_file()) # 創(chuàng)建一個任務,并添加到事件循環(huán),等待執(zhí)行
    task2=loop.run_in_executor(None,computer)# 將普通函數(shù)read_file添加到事件循環(huán)中,等待執(zhí)行
    task3=loop.run_in_executor(None,computer2)# 將普通函數(shù)read_file2添加到事件循環(huán)中,等待執(zhí)行
    await task3
    await task2
    await task

loop=asyncio.get_event_loop() # 創(chuàng)建一個事件循環(huán)
loop.run_until_complete(asy_main())

其執(zhí)行結果如下：

普通計算密集型任務: 2024-05-15 18:29:19.702689
普通CPU密集型任務: 2024-05-15 18:29:19.708280
async讀文件開始: 2024-05-15 18:29:19.738654
普通計算密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:21.441072
普通計算密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:23.192585
普通計算密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:24.936979
普通計算密集型任務完成: 2024-05-15 18:29:26.712930
普通CPU密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:32.539679
async讀文件完成: 2024-05-15 18:29:39.752731
普通CPU密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:41.813872
普通CPU密集型任務正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:51.103737
普通CPU密集型任務完成: 2024-05-15 18:30:00.433402

從代碼運行結果中可以看到，兩個計算密集型的任務task2、task3和異步函數(shù)task添加到事件循環(huán)上之后，在等待異步操作task完成的過程中，CPU并沒有閑著，而是在執(zhí)行task2和task3的任務。

Tips:雖然當下的執(zhí)行結果中寫完成了computer()的計算，后完成了computer2()的計算，但多次執(zhí)行上述程序的時候也出現(xiàn)了兩個函數(shù)交替執(zhí)行的結果。

為了與上述代碼形成對比，執(zhí)行下述代碼：

import asyncio
import datetime

async def async_task(name, delay):
    print(f"Task {name} started:",datetime.datetime.now())
    await asyncio.sleep(delay)
    print(f"Task {name} finished:",datetime.datetime.now())

async def main():
    await async_task("A", 2)
    await async_task("B", 1)
    await async_task("C", 3)

asyncio.run(main())

其代碼執(zhí)行結果如下：

Task A started: 2024-05-21 17:45:24.324535
Task A finished: 2024-05-21 17:45:26.326109
Task B started: 2024-05-21 17:45:26.326250
Task B finished: 2024-05-21 17:45:27.327795
Task C started: 2024-05-21 17:45:27.327923
Task C finished: 2024-05-21 17:45:30.329475

從執(zhí)行結果上可以看到這三個異步操作是順序執(zhí)行的，并沒有同時執(zhí)行。

這是因為在執(zhí)行await后面的異步操作時事件循環(huán)中只有一個任務。

總結

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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