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  • 异步IO

    摘抄自廖雪峰Python教程

    异步IO

    异步IO模型需要一个消息循环,在消息循环中,主线程不断地重复“读取消息-处理消息”这一过程:

    loop = get_event_loop()
    while True:
      event = loop.get_event()
      process_event(event)
    

    协程

    又称微线程,Coroutine

    协程切换不是线程切换,而是由程序自身控制,因此,没有线程切换的开销,和多线程相比,线程数量越多,协程的性能优势越明显。

    另一优势就是不需要多线程的锁机制。

    Python对协程的支持是通过generator来实现的

    generator中,可以通过for循环来迭代,也可以不断通过next()函数获取有yield语句返回的下一个值。

    一个示例,传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息,一个线程读取消息,通过锁机制控制队列和等待,但一不小心就可能死锁。

    改用协程,生产者生产消息后,直接通过yield跳转到消费者开始执行,待消费者执行完毕后,切换回生产者继续生产,效率极高:

    def consumer():
      r = ''
      while True:
        n = yield r
        if not n:
          return 
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        r = '200 0K'
        
    def produce(c):
      c.send(None)
      n = 0
      while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
        c.close()
        
    c = consumer()
    produce(c)
    

    执行结果:

    [PRODUCER] Producing 1...
    [CONSUMER] Consuming 1...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 2...
    [CONSUMER] Consuming 2...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 3...
    [CONSUMER] Consuming 3...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 4...
    [CONSUMER] Consuming 4...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    [PRODUCER] Producing 5...
    [CONSUMER] Consuming 5...
    [PRODUCER] Consumer return: 200 OK
    

    注意到consumer函数是一个generator,把一个consumer传入produce后:

    1. 首先调用c.send(None)启动生成器;
    2. 然后,一旦生产了东西,通过c.send(n)切换到consumer执行;
    3. consumer通过yield拿到消息,处理,又通过yield把结果传回;
    4. produce拿到consumer处理的结果,继续生产下一条消息;
    5. produce决定不生产了,通过c.close()关闭consumer,整个过程结束。

    整个流程无锁,由一个线程执行,produceconsumer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的编程模型就是一个消息循环。

    asyncio模块中直接获取一个EventLoop的引用,然后把需要执行的协程推到EventLoop中执行,就实现了异步IO。

    asyncio实现Hello world代码如下:

    import asyncio
    @asyncio.coroutine
    def hello():
      print("Hello world!")
      # 异步调用asyncio.sleep(1)
      r = yield from asyncio.sleep(1)
      print("Hello again!")
      
    # 获取EventLoop:
    loop = asyncio.get_event_loop()
    # 执行coroutine:
    loop.run_until_complete(hello())
    loop.close()
    

    @asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型,然后,我们就把这个coroutine扔到EventLoop中执行。

    hello()会首先打印出Hello world!,然后,yield from语法可以让我们方便地调用另一个generator。由于asyncio.sleep()也是一个coroutine,所以线程不会等待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.sleep(1)看成是一个耗时1秒的IO操作,在此期间,主线程并未等待,而是去执行EventLoop中其他可以执行的coroutine了,因此可以实现并发执行。

    我们用Task封装两个coroutine试试:

    import threading
    import asyncio
    
    @asyncio.coroutine
    def hello():
        print('Hello world! (%s)' % threading.currentThread())
        yield from asyncio.sleep(1)
        print('Hello again! (%s)' % threading.currentThread())
    
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = [hello(), hello()]
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    loop.close()
    

    观察执行过程:

    Hello world! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
    Hello world! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
    (暂停约1秒)
    Hello again! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
    Hello again! (<_MainThread(MainThread, started 140735195337472)>)
    
    

    由打印的当前线程名称可以看出,两个coroutine是由同一个线程并发执行的。

    如果把asyncio.sleep()换成真正的IO操作,则多个coroutine就可以由一个线程并发执行。

    我们用asyncio的异步网络连接来获取sina、sohu和163的网站首页:

    import asyncio
    
    @asyncio.coroutine
    def wget(host):
        print('wget %s...' % host)
        connect = asyncio.open_connection(host, 80)
        reader, writer = yield from connect
        header = 'GET / HTTP/1.0
    Host: %s
    
    ' % host
        writer.write(header.encode('utf-8'))
        yield from writer.drain()
        while True:
            line = yield from reader.readline()
            if line == b'
    ':
                break
            print('%s header > %s' % (host, line.decode('utf-8').rstrip()))
        # Ignore the body, close the socket
        writer.close()
    
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = [wget(host) for host in ['www.sina.com.cn', 'www.sohu.com', 'www.163.com']]
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    loop.close()
    

    执行结果如下:

    wget www.sohu.com...
    wget www.sina.com.cn...
    wget www.163.com...
    (等待一段时间)
    (打印出sohu的header)
    www.sohu.com header > HTTP/1.1 200 OK
    www.sohu.com header > Content-Type: text/html
    ...
    (打印出sina的header)
    www.sina.com.cn header > HTTP/1.1 200 OK
    www.sina.com.cn header > Date: Wed, 20 May 2015 04:56:33 GMT
    ...
    (打印出163的header)
    www.163.com header > HTTP/1.0 302 Moved Temporarily
    www.163.com header > Server: Cdn Cache Server V2.0
    ...
    

    可见3个连接由一个线程通过coroutine并发完成。

    小结

    asyncio提供了完善的异步IO支持;

    异步操作需要在coroutine中通过yield from完成;

    多个coroutine可以封装成一组Task然后并发执行。

    async/await

    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,Python 3.5开始,引入了新的语法asyncawait

    asyncawait是针对coroutine的新语法:

    (1)把@asyncio.coroutine替换为async

    (2)把yield from替换成await

    示例:

    @asyncio.coroutine
    def hello1():
        print("Hello world!")
        r = yield from asyncio.sleep(1)
        print("Hello again!")
        
    async def hello2():
        print("Hello world!")
        r = await asyncio.sleep(1)
        print("Hello again!")
    

    aiohttp

    asyncio可以实现单线程并发IO操作

    asyncio运用到服务器段,可以用单线程+coroutine实现多用户的高并发支持

    asyncio实现了TCP、UDP、SSL等协议,aiohttp是基于asyncio实现的HTTP框架

    编写一个HTTP服务器,分别处理以下URL:

    • / - 首页返回b'<h1>Index</h1>'
    • /hello/{name} - 根据URL参数返回文本hello, %s!

    代码如下:

    import asyncio
    
    from aiohttp import web
    
    async def index(request):
        await asyncio.sleep(0.5)
        return web.Response(body=b'<h1>Index</h1>')
    
    async def hello(request):
        await asyncio.sleep(0.5)
        text = '<h1>hello, %s!</h1>' % request.match_info['name']
        return web.Response(body=text.encode('utf-8'))
    
    async def init(loop):
        app = web.Application(loop=loop)
        app.router.add_route('GET', '/', index)
        app.router.add_route('GET', '/hello/{name}', hello)
        srv = await loop.create_server(app.make_handler(), '127.0.0.1', 8000)
        print('Server started at http://127.0.0.1:8000...')
        return srv
    
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(init(loop))
    loop.run_forever()
    

    注意aiohttp的初始化函数init()也是一个coroutineloop.create_server()则利用asyncio创建TCP服务。

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