asyncio并发编程

目录

• asyncio简介
• 事件循环
  • 基本使用
  • task取消
  • call_soon
  • call_later
  • call_soon_threadsafe
• ThreadPollExecutor 和 asyncio完成阻塞io请求
  • 同步

asyncio简介

asyncio是Python3.4引入的一个用于异步IO的库，其主要功能如下

1）包含各种特定系统实现的模块化事件循环

2）传输和协议抽象

3）对TCP、UDP、SSL、子进程、延时调用以及其他的具体支持

4）模仿futures模块但适用于事件循环使用的Future类

5）基于yield from的协议和任务，可以让我们用顺序的方式编写并发代码

6）必须使用一个将产生阻塞IO的调用时，有接口可以把这个事件转移到线程池

7）模仿threading模块中的同步原语、可以用在单线程内的协程之间

事件循环

基本使用

来看一个示例

# 异步编程三要素：事件循环+回调（驱动生成器）+IO多路复用
# asyncio是python用于解决异步IO编程的一整套解决方案
# 基于asyncio的框架：tornado、gevent、twisted(scrapy,django channels)
# tornado(实现了web服务器)，django+flask


# 使用asyncio
import asyncio
import time


async def get_html(url):
    print("start get url")
    # 注意这里一定不要使用time.sleep(1)，因为time.sleep()是同步阻塞的
    await asyncio.sleep(2)	# 耗时操作一定要放到await里面
    # time.sleep(2)
    print("end get url")


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = [get_html("http://www.baidu.com") for _ in range(10)]
    # loop.run_until_complete(get_html("http://www.baidu.com"))
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))	# 一次执行多个任务
    print(time.time()-start_time)

### 获取协程的返回值

import asyncio
import time


async def get_html(url):
    print("start get url")
    # 注意这里一定不要使用time.sleep(1)，因为time.sleep()是同步阻塞的
    await asyncio.sleep(2)
    # time.sleep(2)
    print("end get url")
    return "loop_test"


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    # ensure_future返回的是一个future对象
    get_future = asyncio.ensure_future(get_html("http://www.baidu.com"))
    loop.run_until_complete(get_future)		# run_until_complete也可以接收一个future对象
    print(get_future.result())	# loop_test

还有一种方式就是通过task对象获取返回值

import asyncio
import time


async def get_html(url):
    print("start get url")
    await asyncio.sleep(2)
    print("end get url")
    return "loop_test"


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task = loop.create_task(get_html("http://www.baidu.com"))
    loop.run_until_complete(task)
    print(get_future.result())	# loop_test

### 回调

如果在执行完协程后需要回调，比如说我们需要发送邮件，可以使用task对象的add_done_callback方法

import asyncio
import time


async def get_html(url):
    print("start get url")
    await asyncio.sleep(2)
    print("end get url")
    return "loop_test"


def callback(future):   # 注意这里默认会将future传给回调函数，所以必须有一个参数接收
    print("send email to robin")


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task = loop.create_task(get_html("http://www.baidu.com"))
    task.add_done_callback(callback)
    loop.run_until_complete(task)
    print(task.result())

这里有一个问题，如果回调函数需要参数的话就不行了，因为我们在调用的时候只传入了一个函数名，要传入参数，可以使用functool的partial函数

import time
from functools import partial


async def get_html(url):
    print("start get url")
    # 注意这里一定不要使用time.sleep(1)，因为time.sleep()是同步阻塞的
    await asyncio.sleep(2)
    print("end get url")
    return "loop_test"


def callback(name, future):   # 注意这里callback自己的参数放在前面，future放在后面
    print("send email to %s" % name)


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task = loop.create_task(get_html("http://www.baidu.com"))
    task.add_done_callback(partial(callback, "sansa"))  # 将callback函数包裹起来
    loop.run_until_complete(task)
    print(task.result())

### wait和gather

wait用于一次提交多个任务，gather与task在使用上基本相似，区别在于gather传参时需要使用*打散

下面来具体说一下详细区别

1）gather更加high-level（抽象层次更高）

2）gather可以分组

```python import asyncio import time from functools import partial

async def get_html(url):
print("start get url")
# 注意这里一定不要使用time.sleep(1)，因为time.sleep()是同步阻塞的
await asyncio.sleep(2)
print("end get url")
return "loop_test"

def callback(name, future): # 注意这里默认会将future传给回调函数，所以必须有一个参数接收
print("send email to %s" % name)

if name == 'main':
start_time = time.time()
loop = asyncio.get_event_loop()
task1 = [get_html("http://www.baidu.com") for _ in range(5)]
task2 = [get_html("http://www.baidu.com") for _ in range(5)]
loop.run_until_complete(asyncio.gather(*task1, *task2)) # 这里需要打散

<br>

后面可以改写成

```python
if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task1 = [get_html("http://www.baidu.com") for _ in range(5)]
    task2 = [get_html("http://www.baidu.com") for _ in range(5)]
    group1 = asyncio.gather(*task1)
    group2 = asyncio.gather(*task2)
    loop.run_until_complete(asyncio.gather(group1, group2))

## task取消和子协程调用原理

task取消

import asyncio
import time


async def get_html(sleep_times):
    print("waiting")
    await asyncio.sleep(sleep_times)
    print("done after %s s" % sleep_times)


if __name__ == '__main__':
    task1 = get_html(2)
    task2 = get_html(3)
    task3 = get_html(3)

    tasks = [task1, task2, task3]
    loop = asyncio.get_event_loop()

    try:
        loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    except KeyboardInterrupt as e:	# 命令行运行时按ctrl+c终止程序
        all_tasks = asyncio.Task.all_tasks()	# 获取所有task
        for task in all_tasks:
            print("cancel task")
            print(task.cancel())	# 取消成功返回True
        loop.stop()
        loop.run_forever()
    finally:
        loop.close()    # 注意close与stop的区别

### 子协程

下面来看一个官方示例

import asyncio

async def compute(x, y):
    print("Compute %s + %s ..." % (x, y))
    await asyncio.sleep(1.0)
    return x + y

async def print_sum(x, y):
    result = await compute(x, y)
    print("%s + %s = %s" % (x, y, result))

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(print_sum(1, 2))
loop.close()

执行结果

Compute 1 + 2 ...
# 1 s
1 + 2 = 3

上述协程的时序图如下

## 其他方法

call_soon

call_soon是立即启动的意思，传入一个函数和函数需要的参数

import asyncio

def callback(sleep_times):
    print("sleep %s seconds" % sleep_times)


if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.call_soon(callback, 2)	
    loop.run_forever()

执行结果

sleep 2 seconds
# 程序继续运行中...

我们需要在协程结束后终止事件循环，因此需要再定义一个函数

import asyncio

def callback(sleep_times):
    print("sleep %s seconds" % sleep_times)

def stoploop(loop):		# 终止循环
    loop.stop()


if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.call_soon(callback, 2)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.call_soon(stoploop, loop)
    loop.run_forever()

call_later

call_later按等待时间执行函数，会根据传入的时间排出一个顺序

import asyncio


def callback(sleep_times):
    print("sleep %s seconds" % sleep_times)


def stoploop(loop):
    loop.stop()


if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.call_later(1, callback, 1)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.call_later(3, callback, 3)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.call_later(2, callback, 2)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    # loop.call_soon(stoploop, loop)	# 这里如果使用call_soon那么loop会先stop，就看不到效果了
    loop.run_forever()

执行结果

sleep 1 seconds
sleep 2 seconds
sleep 3 seconds
# 程序继续运行中...

### call_at

call_at在指定时间执行

import asyncio

def callback(sleep_times):
    print("sleep %s seconds" % sleep_times)

def stoploop(loop):
    loop.stop()

if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    now = loop.time()
    loop.call_at(now+2, callback, 1)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.call_at(now+3, callback, 3)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.call_at(now+2, callback, 2)     # 第一个参数是函数名，后面为动态参数
    loop.run_forever()

call_soon_threadsafe

call_soon_threadsafe是线程安全的call_soon，涉及到多线程时，使用这个

ThreadPollExecutor 和 asyncio完成阻塞io请求

什么时候使用多线程：在协程中集成阻塞io

在协程中不要放阻塞的代码， 但如果非要使用阻塞的代码， 就可以放到线程池中运行。

import asyncio
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import socket
from urllib.parse import urlparse
import time


def get_url(url):
    # 通过socket请求html
    url = urlparse(url)
    host = url.netloc
    path = url.path
    if path == "":
        path = "/"

    # 建立socket连接
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client.connect((host, 80))

    client.send("GET {} HTTP/1.1
Host:{}
Connection:close

".format(path, host).encode('utf8'))
    data = b""
    while True:
        d = client.recv(1024)
        if d:
            data += d
        else:
            break
    data = data.decode("utf8")
    html_data = data.split("

")[1]   # 把请求头信息去掉，只要网页内容
    print(html_data)
    client.close()


if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    executor = ThreadPoolExecutor(3)    # 线程池
    tasks = []
    for url in range(20):
        url = "http://shop.projectsedu.com/goods/{}/".format(url)
        # 阻塞的代码放到线程池
        task = loop.run_in_executor(executor, get_url, url)
        tasks.append(task)
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    print("last time: %s" %(time.time()-start_time))

## asyncio发送http请求

asyncio发送http请求可以通过asyncio的open_connection方法实现，open_connection方法返回reader和writer对象，分别用于读和写

import asyncio
from urllib.parse import urlparse
import time


async def get_url(url):
    url = urlparse(url)
    host = url.netloc
    path = url.path
    if path == "":
        path = '/'

    # 建立socket连接
    reader, writer = await asyncio.open_connection(host, 80)  # 协程 与服务端建立连接
    writer.write(
        "GET {} HTTP/1.1
Host:{}
Connection:close

".format(path, host).encode('utf8'))
    all_lines = []
    async for raw_line in reader:  # __aiter__ __anext__魔法方法
        line = raw_line.decode('utf8')
        all_lines.append(line)
    html = '
'.join(all_lines)
    return html


if __name__ == '__main__':
    import time
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = []
    for url in range(20):
        url = "http://shop.projectsedu.com/goods/{}/".format(url)
        tasks.append(get_url(url))
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    print("last time: %s" % (time.time() - start_time))

如果我们需要获取协程执行后的结果，我们可以把future对象放入tasks里面，然后通过future获取result

修改后半段代码

if __name__ == '__main__':
    import time
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    tasks = []
    for url in range(20):
        url = "http://shop.projectsedu.com/goods/{}/".format(url)
        tasks.append(asyncio.ensure_future(get_url(url)))	# future对象
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
    for task in tasks:
        print(task.result())	# 通过future对象获取结果
    print("last time: %s" % (time.time() - start_time))

上面的是所有协程都执行完后再获取结果，如果需要执行完一个马上获取结果，可以使用as_completed方法

import asyncio
from urllib.parse import urlparse
import time


async def get_url(url):
    url = urlparse(url)
    host = url.netloc
    path = url.path
    if path == "":
        path = '/'

    # 建立socket连接
    reader, writer = await asyncio.open_connection(host, 80)  # 协程 与服务端建立连接
    writer.write(
        "GET {} HTTP/1.1
Host:{}
Connection:close

".format(path, host).encode('utf8'))
    all_lines = []
    async for raw_line in reader:  # __aiter__ __anext__魔法方法
        line = raw_line.decode('utf8')
        all_lines.append(line)
    html = '
'.join(all_lines)
    return html


async def main():
    tasks = []
    for url in range(20):
        url = "http://shop.projectsedu.com/goods/{}/".format(url)
        tasks.append(asyncio.ensure_future(get_url(url)))
    for task in asyncio.as_completed(tasks):
        result = await task     # 一定要加await
        print(result)


if __name__ == '__main__':
    import time
    start_time = time.time()
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(main())
    print("last time: %s" % (time.time() - start_time))

## asyncio同步和通信

同步

协程一般是不需要锁的

import asyncio
 
total = 0 
 
async def add():
    global total
    for _ in range(1000000):
        total += 1
 
 
async def desc():
    global total, lock
    for _ in range(1000000):
        total -= 1 

 
if __name__ == '__main__':
    tasks = [add(), desc()]
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
	print(total)

上面的代码是不需要加锁的，不管运行多少次，结果都为0。但在某些情况下，我们需要加锁来使协程同步

import asyncio
import aiohttp
from asyncio import Lock


cache = {"baidu": "http://ww.baidu.com"}
lock = Lock()   # 这里的Lock不是系统的Lock,还有async for 。。。类似的用法


async def get_stuff(url):
    async with lock:    # 等价于with await lock
        # 这里可以使用async with 是因为 Lock中有__await__ 和 __aenter__两个魔法方法
        # 和线程一样， 这里也可以用 await lock.acquire() 并在结束时 lock.release
        if url in cache:
            return cache[url]
        stuff = await aiohttp.request("GET", url)
        cache[url] = stuff
        return stuff


async def parse_stuff(url):
    stuff = await get_stuff(url)
    # do some parse


async def use_stuff(url):
    stuff = await get_stuff(url)
    # use stuff to do something


if __name__ == '__main__':
    tasks = [parse_stuff("baidu"), use_stuff("baidu")]
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))

这里parse_stuff和use_stuff有共同调用的代码get_stuff，parse_stuff去请求的时候，如果get_stuff也去请求，可能触发网站的反爬机制

### 通信

因为协程是单线程的，所以协程完全可以使用全局变量实现queue来相互通信，但是如果想要在queue中定义存放的最大数目，那么需要使用asyncio的Queue，同时使用get和put时需要加上await

from asyncio import Queue
queue = Queue(maxsize=5)