python之异步编程

一、异步编程概述

异步编程是一种并发编程的模式，其关注点是通过调度不同任务之间的执行和等待时间，通过减少处理器的闲置时间来达到减少整个程序的执行时间；异步编程跟同步编程模型最大的不同就是其任务的切换，当遇到一个需要等待长时间执行的任务的时候，我们可以切换到其他的任务执行；

与多线程和多进程编程模型相比，异步编程只是在同一个线程之内的的任务调度，无法充分利用多核CPU的优势，所以特别适合IO阻塞性任务；

python版本 3.9.5

二、python的异步框架模型

python提供了asyncio模块来支持异步编程，其中涉及到coroutines、event loops、futures三个重要概念；

event loops主要负责跟踪和调度所有异步任务，编排具体的某个时间点执行的任务；

coroutines是对具体执行任务的封装，是一个可以在执行中暂停并切换到event loops执行流程的特殊类型的函数；其一般还需要创建task才能被event loops调度；

futures负责承载coroutines的执行结果，其随着任务在event loops中的初始化而创建，并随着任务的执行来记录任务的执行状态；

异步编程框架的整个执行过程涉及三者的紧密协作；

首先event loops启动之后，会从任务队列获取第一个要执行的coroutine，并随之创建对应task和future；

然后随着task的执行，当遇到coroutine内部需要切换任务的地方，task的执行就会暂停并释放执行线程给event loop，event loop接着会获取下一个待执行的coroutine，并进行相关的初始化之后，执行这个task；

随着event loop执行完队列中的最后一个coroutine才会切换到第一个coroutine；

随着task的执行结束，event loops会将task清除出队列，对应的执行结果会同步到future中，这个过程会持续到所有的task执行结束；

三、顺序执行多个可重叠的任务

每个任务执行中间会暂停给定的时间，循序执行的时间就是每个任务执行的时间加和；

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、异步化同步代码

python在语法上提供了async、await两个关键字来简化将同步代码修改为异步；

async使用在函数的def关键字前边，标记这是一个coroutine函数；

await用在conroutine里边，用于标记需要暂停释放执行流程给event loops；

await 后边的表达式需要返回waitable的对象，例如conroutine、task、future等；

asyncio模块主要提供了操作event loop的方式；

我们可以通过async将count_down标记为coroutine，然后使用await和asyncio.sleep来实现异步的暂停，从而将控制权交给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

我们定义一个异步的main方法，主要完成task的创建和等待任务执行结束；

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')

执行我们可以看到时间已经变为了执行时间最长的任务的时间了；

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、使用多线程克服具体任务的异步限制

异步编程要求具体的任务必须是coroutine，也就是要求方法是异步的，否则只有任务执行完了，才能将控制权释放给event loop；

python中的concurent.futures提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor，可以直接在异步编程中使用，从而可以在单独的线程或者进程至今任务；

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.