Python学习--22 异步I/O

在同步IO中，线程启动一个IO操作然后就立即进入等待状态，直到IO操作完成后才醒来继续执行。而异步IO方式中，线程发送一个IO请求到内核，然后继续处理其他的事情，内核完成IO请求后，将会通知线程IO操作完成了。

如果IO请求需要大量时间执行的话，异步IO方式可以显著提高效率，因为在线程等待的这段时间内，CPU将会调度其他线程进行执行，如果没有其他线程需要执行的话，这段时间将会浪费掉。

协程

协程（Coroutine），又称微线程。

我们平常使用的函数又称子程序，是层级调用的，即A函数调用B，B函数又调用C，那么需要等C执行完毕返回，然后B程序执行完毕返回，最后A执行完毕。

协程看上去也是子程序，但是执行顺序和子程序不同：协程执行过程可以中断，同样是A函数调用B，但B可以执行一部分继续去执行A，然后继续执行B未执行完的部分。

协程看起来很像多线程。但协程最大的优势是极高的执行效率。因为线程需要互相切换，切换需要开销。且线程直接共享变量需要使用锁机制，因为协程只有一个线程，不存在同时写变量冲突。

Python对协程的支持是通过generator实现的。

在generator中，我们不但可以通过for循环来迭代，还可以不断调用next()函数获取由yield语句返回的下一个值。

但是Python的yield不但可以返回一个值，它还可以接收调用者发出的参数。下面是一个典型的生产者-消费者模型：

# coding: utf-8

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        print('[Consumer] Consuming %s' % n)
        r = '200 OK'


def produce(c):
    c.send(None) #启动生成器
    i = 0
    while i < 5:
        i = i + 1
        print('[Produce] Start produce %s' % i)
        r = c.send(i)
        print('[Produce] Consumer return  %s' % r)


c = consumer() #生成器
produce(c)

输出：

[Produce] Start produce 1
[Consumer] Consuming 1
[Produce] Consumer return  200 OK
[Produce] Start produce 2
[Consumer] Consuming 2
[Produce] Consumer return  200 OK
[Produce] Start produce 3
[Consumer] Consuming 3
[Produce] Consumer return  200 OK
[Produce] Start produce 4
[Consumer] Consuming 4
[Produce] Consumer return  200 OK
[Produce] Start produce 5
[Consumer] Consuming 5
[Produce] Consumer return  200 OK

执行顺序：
1、发送None启动生成器consumer()，运行yield r，返回''，程序中断；
2、第2次发送1，从上次运行结束的地方开始，先通过n = yield r接收到1，继续运行打印语句，再次运行到yield r，返回'200 OK'；
3、第3次发送2，从上次运行结束的地方开始，先通过n = yield r接收到2，继续运行打印语句，再次运行到yield r，返回'200 OK'；
4、...

大家可以使用 Intellij IDEA调试功能 进行单步运行观察执行流程。

整个流程由一个线程执行，produce和consumer协作完成任务，所以称为“协程”，而非线程的抢占式多任务。

asyncio

asyncio是Python 3.4版本引入的标准库，直接内置了对异步IO的支持。使用asyncio可以实现单线程并发IO操作。

@asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型：

# coding: utf-8
import asyncio

@asyncio.coroutine
def helloWorld(n):
    print('Hello world! %s' % n)
    r = yield from asyncio.sleep(3)
    print('Hello %s %s ' % (r, n))

loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [helloWorld(1), helloWorld(2), helloWorld(3), helloWorld(4)]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

输出：

Hello world! 2
Hello world! 3
Hello world! 1
Hello world! 4

#(等待3秒左右)

Hello None 2 
Hello None 1 
Hello None 3 
Hello None 4 

程序先运行Hello world! ，然后由于asyncio.sleep()也是一个coroutine，线程不会等待asyncio.sleep()，而是直接中断并执行下一个消息循环。当asyncio.sleep()返回时，线程就可以从yield from拿到返回值（此处是None），然后接着执行下一行语句。

asyncio的编程模型就是一个消息循环。我们从asyncio模块中直接获取一个EventLoop的引用，然后把需要执行的协程扔到EventLoop中执行，就实现了异步IO。

async/await

用asyncio提供的@asyncio.coroutine可以把一个generator标记为coroutine类型，然后在coroutine内部用yield from调用另一个coroutine实现异步操作。

为了简化并更好地标识异步IO，从Python 3.5开始引入了新的语法async和await，可以让coroutine的代码更简洁易读。

请注意，async和await是针对coroutine的新语法，要使用新的语法，只需要做两步简单的替换：

1. 把@asyncio.coroutine替换为async；
2. 把yield from替换为await。

上节的代码用Python3.5写：

# coding: utf-8
import asyncio

async def helloWorld(n):
    print('Hello world! %s' % n)
    r = await asyncio.sleep(3)
    print('Hello %s %s ' % (r, n))

loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [helloWorld(1), helloWorld(2), helloWorld(3), helloWorld(4)]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

aiohttp

aiohttp是基于asyncio实现的HTTP框架。

需要先安装：

$ pip install aiohttp

控制台输出：

Collecting aiohttp
  Downloading aiohttp-1.3.1-cp34-cp34m-win32.whl (147kB)
    100% |████████████████████████████████| 153kB 820kB/s
Collecting async-timeout>=1.1.0 (from aiohttp)
  Downloading async_timeout-1.1.0-py3-none-any.whl
Collecting yarl>=0.8.1 (from aiohttp)
  Downloading yarl-0.9.6-cp34-cp34m-win32.whl (77kB)
    100% |████████████████████████████████| 81kB 1.8MB/s
Collecting chardet (from aiohttp)
  Downloading chardet-2.3.0-py2.py3-none-any.whl (180kB)
    100% |████████████████████████████████| 184kB 890kB/s
Collecting multidict>=2.1.4 (from aiohttp)
  Downloading multidict-2.1.4-cp34-cp34m-win32.whl (133kB)
    100% |████████████████████████████████| 143kB 3.3MB/s
Installing collected packages: async-timeout, multidict, yarl, chardet, aiohttp
Successfully installed aiohttp-1.3.1 async-timeout-1.1.0 chardet-2.3.0 multidict-2.1.4 yarl-0.9.6

说明安装完成。

示例：

# coding: utf-8
import asyncio
from aiohttp import web

@asyncio.coroutine
def index(request):
    return web.Response(body=b'Hello aiohttp!', content_type='text/html')

@asyncio.coroutine
def user(request):
    name = request.match_info['name']
    body = 'Hello %s' % name
    return web.Response(body=body.encode('utf-8'), content_type='text/html')
    pass

@asyncio.coroutine
def init(loop):
    # 创建app
    app = web.Application(loop=loop)

    #添加路由
    app.router.add_route('GET', '/', index)
    app.router.add_route('GET', '/user/{name}', user)

    #运行server
    server = yield from loop.create_server(app.make_handler(), '127.0.0.1', 9999)
    print('Server is running at http://127.0.0.1:9999 ...')

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(init(loop))
loop.run_forever()

运行程序：

$ python user_aiohttp.py

Server is running at http://127.0.0.1:9999 ...

浏览器依次输入查看效果：
http://127.0.0.1:9999/
http://127.0.0.1:9999/user/aiohttp

更多知识可以查看aiohttp文档：
http://aiohttp.readthedocs.io/en/stable/

参考：
1、Python asyncio库的学习和使用
http://www.cnblogs.com/rockwall/p/5750900.html
2、异步IO
http://www.liaoxuefeng.com/wiki/0014316089557264a6b348958f449949df42a6d3a2e542c000/00143208573480558080fa77514407cb23834c78c6c7309000