Python异步IO(协程)asyncio使用介绍

通常在Python中我们进行并发编程一般都是使用多线程或者多进程来实现的,对于计算型任务由于GIL的存在我们通常使用多进程来实现,而对与IO型任务我们可以通过线程调度来让线程在执行IO任务时让出GIL,从而实现表面上的并发。

其实对于IO型任务我们还有一种选择就是协程,协程是运行在单线程当中的“并发”,协程相比多线程一大优势就是省去了多线程之间的切换开销,获得了更大的运行效率。Python中的asyncio也是基于协程来进行实现的。

我们先来看如何创建协程和task任务

import asyncio

async def test_work():
    return "Test work proccess !"

coroutine = test_work()
loop = asyncio.get_event_loop()
task = loop.create_task(coroutine)
print(task)
loop.run_until_complete(task)
print(task.result())

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回调callback

我们从上述例子中可以看到,当协程任务完成返回finished状态的时候我们可以直接从任务结果即task的result方法获取结果

我们再来看看绑定回调的例子

import asyncio

async def test_work():
    return "Test work proccess !"

def callback(future):
    print("Callback: ", future.result())

coroutine = test_work()
loop = asyncio.get_event_loop()
task = asyncio.ensure_future(coroutine)
task.add_done_callback(callback)
loop.run_until_complete(task)

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阻塞和await

使用async可以定义协程对象,使用await可以针对耗时的操作进行挂起,就像生成器里的yield一样,函数让出控制权。协程遇到await,事件循环将会挂起该协程,执行别的协程,直到其他的协程也挂起或者执行完毕,再进行下一个协程的执行。

耗时的操作一般是一些IO操作,例如网络请求,文件读取等。我们使用asyncio.sleep函数来模拟IO操作。协程的目的也是让这些IO操作异步化。

import asyncio

async def test1():
    print("Test work proccess !")
    await asyncio.sleep(3)
    print("Test work proccess2 !")

async def test2():
    print("This second task !")

coroutine1 = test1()
coroutine2 = test2()
loop = asyncio.get_event_loop()
task1 = asyncio.ensure_future(coroutine1)
task2 = asyncio.ensure_future(coroutine2)
loop.run_until_complete(task1)
loop.run_until_complete(task2)

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在 sleep的时候,使用await让出控制权。即当遇到阻塞调用的函数的时候,使用await方法将协程的控制权让出,以便loop调用其他的协程。现在我们的例子就用耗时的阻塞操作了。

并发和并行

asyncio实现并发,就需要多个协程来完成任务,每当有任务阻塞的时候就await,然后其他协程继续工作。创建多个协程的列表,然后将这些协程注册到事件循环中

import asyncio

async def do_some_work(x):
    print('start:', x)
    await asyncio.sleep(x)
    print('end:',x)

coroutine1 = do_some_work(1)
coroutine2 = do_some_work(2)
coroutine3 = do_some_work(4)

tasks = [
    asyncio.ensure_future(coroutine1),
    asyncio.ensure_future(coroutine2),
    asyncio.ensure_future(coroutine3)
]

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

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此时我们使用了aysncio实现了并发。asyncio.wait(tasks) 也可以使用 asyncio.gather(*tasks) ,前者接受一个task列表,后者接收一堆task。

协程嵌套

使用async可以定义协程,协程用于耗时的io操作,我们也可以封装更多的io操作过程,这样就实现了嵌套的协程,即一个协程中await了另外一个协程,如此连接起来。

import asyncio
import time
now = lambda: time.time()
async def do_some_work(x):
    print('Waiting: ', x)
    await asyncio.sleep(x)
    return 'Done after {}s'.format(x)
async def main():
    coroutine1 = do_some_work(1)
    coroutine2 = do_some_work(2)
    coroutine3 = do_some_work(4)
    tasks = [
        asyncio.ensure_future(coroutine1),
        asyncio.ensure_future(coroutine2),
        asyncio.ensure_future(coroutine3)
    ]
    dones, pendings = await asyncio.wait(tasks)
    for task in dones:
        print('Task ret: ', task.result())
start = now()
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())
print('TIME: ', now() - start)

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如果使用的是 asyncio.gather创建协程对象,那么await的返回值就是协程运行的结果。

协程停止

上面见识了协程的几种常用的用法,都是协程围绕着事件循环进行的操作。future对象有几个状态:

Pending
Running
Done
Cancelled

创建future的时候,task为pending,事件循环调用执行的时候当然就是running,调用完毕自然就是done,如果需要停止事件循环,就需要先把task取消。可以使用asyncio.Task获取事件循环的task

import asyncio
import time
 
now = lambda: time.time()
 
async def do_some_work(x):
    print('Waiting: ', x)
    await asyncio.sleep(x)
    return 'Done after {}s'.format(x)
 
coroutine1 = do_some_work(1)
coroutine2 = do_some_work(2)
coroutine3 = do_some_work(2)
 
tasks = [
    asyncio.ensure_future(coroutine1),
    asyncio.ensure_future(coroutine2),
    asyncio.ensure_future(coroutine3)
]
 
start = now()
loop = asyncio.get_event_loop()
try:
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
except KeyboardInterrupt as e:
    print(asyncio.Task.all_tasks())
    for task in asyncio.Task.all_tasks():
        print(task.cancel())
    loop.stop()
    loop.run_forever()
finally:
    loop.close()
print('TIME: ', now() - start)

启动事件循环之后,马上ctrl+c,会触发run_until_complete的执行异常 KeyBorardInterrupt。然后通过循环asyncio.Task取消future。可以看到输出如下

Waiting:  1
Waiting:  2
Waiting:  2
{<Task pending coro=<do_some_work() running at /Users/ghost/Rsj217/python3.6/async/async-main.py:18> wait_for=<Future pending cb=[<TaskWakeupMethWrapper object at 0x101230648>()]> cb=[_wait.<locals>._on_completion() at /Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/asyncio/tasks.py:374]>, <Task pending coro=<do_some_work() running at /Users/ghost/Rsj217/python3.6/async/async-main.py:18> wait_for=<Future pending cb=[<TaskWakeupMethWrapper object at 0x1032b10a8>()]> cb=[_wait.<locals>._on_completion() at /Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/asyncio/tasks.py:374]>, <Task pending coro=<wait() running at /Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/asyncio/tasks.py:307> wait_for=<Future pending cb=[<TaskWakeupMethWrapper object at 0x103317d38>()]> cb=[_run_until_complete_cb() at /Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/asyncio/base_events.py:176]>, <Task pending coro=<do_some_work() running at /Users/ghost/Rsj217/python3.6/async/async-main.py:18> wait_for=<Future pending cb=[<TaskWakeupMethWrapper object at 0x103317be8>()]> cb=[_wait.<locals>._on_completion() at /Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/asyncio/tasks.py:374]>}
True
True
True
True
TIME:  0.8858370780944824

True表示cannel成功,loop stop之后还需要再次开启事件循环,最后在close,不然还会抛出异常:

Task was destroyed but it is pending!
task: <Task pending coro=<do_some_work() done,

循环task,逐个cancel是一种方案,可是正如上面我们把task的列表封装在main函数中,main函数外进行事件循环的调用。这个时候,main相当于最外出的一个task,那么处理包装的main函数即可。

import asyncio
import time
 
now = lambda: time.time()
 
async def do_some_work(x):
    print('Waiting: ', x)
 
    await asyncio.sleep(x)
    return 'Done after {}s'.format(x)
 
async def main():
    coroutine1 = do_some_work(1)
    coroutine2 = do_some_work(2)
    coroutine3 = do_some_work(2)
 
    tasks = [
        asyncio.ensure_future(coroutine1),
        asyncio.ensure_future(coroutine2),
        asyncio.ensure_future(coroutine3)
    ]
    done, pending = await asyncio.wait(tasks)
    for task in done:
        print('Task ret: ', task.result())
 
start = now()
loop = asyncio.get_event_loop()
task = asyncio.ensure_future(main())
try:
    loop.run_until_complete(task)
except KeyboardInterrupt as e:
    print(asyncio.Task.all_tasks())
    print(asyncio.gather(*asyncio.Task.all_tasks()).cancel())
    loop.stop()
    loop.run_forever()
finally:
    loop.close()


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