Python如何使用Asyncio進行web編程

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前言

許多 Web 應用依賴大量的 I/O (輸入/輸出) 操作，比如從網站上下載圖片、視頻等內容；進行網絡聊天或者針對后臺數據庫進行多次查詢。數據庫查詢可能會耗費大量時間，尤其是在該數據庫處于高負載或查詢很復雜的情況下。 Web 服務器可能需要同時處理數百或數千個請求。

I/O 是指計算機的輸入和輸出設備，例如鍵盤、硬盤驅動器，以及最常見的網卡。這些操作等待用戶輸入或從基于 Web 的 API 檢索內容。

Asynchronous IO (async IO) 是一種異步編程設計，并在 Python 3.4 的 asyncio 模塊中得到了支持，作為在多線程和多進程之外處理這些高并發工作負載的另一種方法，可以顯著提高使用 I/O 操作的應用程序的性能和資源利用率。

什么是同步編程

同步編程，通常來說，大多數編程語言都是子例程調用模型：按照順序運行代碼。在此模型中，下一行代碼在前一行代碼完成后立即運行，并且一次只完成一個模塊。

該模型適用于大部分應用程序。但是，也存在明顯的缺點，如果一行代碼特別慢怎么辦？

在這種情況下，速度慢的代碼將導致所有其他代碼都將被卡住，直到該行完成。最差的情況下可能導致整個應用程序卡死。可能大多數人在某些軟件操作中，一個小小的操作導致整個系統執行不下去，最后只能重啟。

什么是異步編程

為了解決同步模型的問題，引入了異步編程的概念，意味著允許同一時刻執行多個任務。

異步編程模型意味著需要長時間運行的任務可以在后臺運行，與主應用程序分開。系統可以自由地執行不依賴于該任務的其他工作，而不是阻止所有其他應用程序代碼等待該長時間運行的任務完成。然后，一旦長時間運行的任務完成，我們會收到通知它已完成。

asyncio 庫允許我們使用異步編程模型運行代碼。 這讓我們可以一次處理多個 I/O 操作，同時仍然允許我們的應用程序保持響應。

在 Python 3.4 中，asyncio 庫中包含了裝飾器和生成器 yield from 來定義協程（coroutine）。協程是一種方法，當我們有一個可能長時間運行的任務時可以暫停，然后在該任務完成時恢復。

協程執行完成后返回到調用者有一種新方法：通過 yield 控制。當協程的 yield 執行完成后立即回到了調用點，但是對協程的再次調用不會在起始處再次開始，相反，他們繼續從最近停止處繼續進行。

如下圖所示：

def filter_even(numbers):
    for num in range(numbers):
        if (num % 2 == 0):
            yield num
even_number = filter_even(100)
print(list(even_number))

運行結果：

$ python yielddemo.py 
[0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98]

ayncio 版 Hello 程序

Python 3.5 版中，當關鍵字 async 和 await 顯式添加到語言中時，該語言實現了對協程和異步編程的一流支持。 這種語法在 C# 和 JavaScript 等其他編程語言中很常見，它允許我們使異步代碼看起來像是同步運行的。 這使得異步代碼易于閱讀和理解，因為它看起來像大多數軟件工程師熟悉的順序流程。 asyncio 是一個使用稱為單線程事件循環的并發模型以異步方式執行這些協程的庫。

利用 async/await 兩個定義關鍵字定義協程，通過 asyncio 提供運行和管理協程的基礎：

import asyncio
import time
async def main():
    print(f'{time.ctime()} Hello!')
    await asyncio.sleep(1.0)
    print(f'{time.ctime()} See you again!')
asyncio.run(main())

運行結果：

$ python asynciodemo.py 
Sat Jul  9 23:19:40 2022 Hello!
Sat Jul  9 23:19:41 2022 See you again!

asyncio 提供了一個 run() 函數來執行 async def 函數，然后從那里調用的所有其他協程，如 main() 函數中的 sleep() 函數。asyncio 不是多線程或多進程，而是并行運行代碼。

JavaScript 中支持異步執行（瀏覽器，Nodejs，Electron 等）。在早期版本中，他們只是使用回調功能在異步操作完成后運行其他功能。

如何使用 asyncio

創建協程很簡單，與創建普通的 Python 函數沒有太大區別。唯一的區別是，我們不是使用 def 關鍵字，而是 使用 async def 。async 關鍵字將函數標記為協程，而不是普通的 Python 函數。

import asyncio
import time
def write(msg):
    print(msg, flush=True)
async def say1():
    await asyncio.sleep(1)
    write("Hello from 1")
async def say2():
    await asyncio.sleep(1)
    write("Hello from 2")
write("start")
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.gather(
    say1(),
    say2()
))
write("exit")
loop.close()

運行該代碼，可以看到 Hello from 1 運行 1 秒后運行 Hello from 2：

$ python asyncoidemo2.py 
start
Hello from 1
Hello from 2
exit

當 run_until_complete 運行 say() 函數，解釋器會逐行執行該函數的內容。當碰到 await 之后，解釋器開始異步操作：這個操作為了循環將完成一些內部回調操作，這個回調操作是對開發人員隱藏的。但是現在，say1 開始后，它立即將控制返回到事件循環。所以，它啟動異步 sleep 和控制循環，然后循環實際上已經開始啟動 say2 函數。

當第一次異步 sleep 運行 1秒后，進入內部回調執行 say1 協程，下一個操作是打印 Hello from 1。打印后，它再次返回到活動循環。同時，從第二次睡眠開始，循環獲得了有關完成第二次睡眠的事件。

所以接下來 Hello from 2 打印，然后第二種方法也返回。

run_until_complete(gather(l1,l2,l3)) 將阻止所有 l1，l2，l3 Coroutines:

請注意，7 和 9 事件可能會交換 - 如果您多次運行代碼，您可能會注意到 Hello from 1 打印在 Hello from 2 之后。

• event_loop 事件循環：程序開啟一個無限循環，把一些函數注冊到事件循環上，當滿足事件發生的時候，調用相應的協程函數

• coroutine 協程：協程對象，指一個使用 async 關鍵字定義的函數，它的調用不會立即執行函數，而是會返回一個協程對象。協程對象需要注冊到事件循環，由事件循環調用。

• task 任務：一個協程對象就是一個原生可以掛起的函數，任務則是對協程進一步封裝，其中包含了任務的各種狀態

• future: 代表將來執行或沒有執行的任務的結果。它和 task 上沒有本質上的區別

• async/await 關鍵字：python3.5 用于定義協程的關鍵字，async 定義一個協程，await 用于掛起阻塞的異步調用接口。

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