1. 異步編程

異步編程是一種編程范式，用于處理程序中需要等待異步操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行的情況。

異步編程允許程序在執(zhí)行耗時(shí)的操作時(shí)不被阻塞，而是在等待操作完成時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

這對(duì)于處理諸如文件 I/O、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、定時(shí)器等需要等待的操作非常有用。

使用異步編程通?？梢詭?lái)以下好處：

• 提高程序效率和性能：異步編程使得程序在執(zhí)行耗時(shí)的 I/O 操作（如網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、文件讀寫、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等）時(shí)不會(huì)被阻塞，減少了等待時(shí)間，充分利用了系統(tǒng)資源。
• 改善用戶體驗(yàn)：在 Web 開(kāi)發(fā)中，異步編程可以確保服務(wù)器在處理大量并發(fā)請(qǐng)求時(shí)能夠快速地響應(yīng)用戶，從而提高了 Web 應(yīng)用的響應(yīng)速度和用戶體驗(yàn)。

2 async/await和asyncio包

2.1 異步函數(shù)的定義

在Python中實(shí)現(xiàn)異步函數(shù)的定義需要兩個(gè)關(guān)鍵字(async和await)。

• async：async關(guān)鍵字聲明一個(gè)異步函數(shù)。它可以在執(zhí)行過(guò)程中暫停并允許其他代碼執(zhí)行。當(dāng)你調(diào)用一個(gè)異步函數(shù)時(shí)，它會(huì)立即返回一個(gè)協(xié)程對(duì)象而不是實(shí)際的結(jié)果。異步函數(shù)適用于執(zhí)行耗時(shí)的I/O操作，例如網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、文件讀寫、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等。這些操作通常涉及到等待外部資源的響應(yīng)或者數(shù)據(jù)的傳輸，而在等待的過(guò)程中，CPU可以執(zhí)行其他任務(wù)，從而提高程序的效率。
• await：await關(guān)鍵字在Python中用于等待一個(gè)異步操作完成。當(dāng)調(diào)用異步函數(shù)時(shí)，使用await關(guān)鍵字可以暫時(shí)掛起當(dāng)前的異步函數(shù)的執(zhí)行，將CPU控制權(quán)還給事件循環(huán)(Event Loop)。接著事件循環(huán)可以將執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)移到其他任務(wù)上，而不是一直等待當(dāng)前的異步函數(shù)完成。當(dāng)被await的異步操作完成后，事件循環(huán)會(huì)通知原來(lái)的異步函數(shù)，使得它可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作。

在Python中異步函數(shù)的定義需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：

• 使用async def關(guān)鍵字聲明函數(shù)。
• 函數(shù)內(nèi)部包含異步操作，并且使用了await關(guān)鍵字等待異步操作完成。如果一個(gè)函數(shù)中只使用了async def聲明，但其中任何異步操作，也沒(méi)有使用await關(guān)鍵字，那么它實(shí)際上就是一個(gè)普通的同步函數(shù)，而不是一個(gè)異步函數(shù)。

2.2 事件循環(huán)

事件循環(huán)(Event Loop)是異步編程中負(fù)責(zé)管理和調(diào)度異步任務(wù)執(zhí)行的機(jī)制。

事件循環(huán)的工作原理類似于一個(gè)持續(xù)運(yùn)行的循環(huán)，它在每一輪循環(huán)中都會(huì)執(zhí)行以下幾個(gè)步驟：

• 等待任務(wù)就緒: 事件循環(huán)會(huì)等待所有注冊(cè)的異步任務(wù)就緒，包括等待 I/O 操作完成、等待計(jì)時(shí)器超時(shí)等。
• 選擇就緒任務(wù)：一旦有任務(wù)就緒，事件循環(huán)會(huì)選擇其中一個(gè)任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。
• 執(zhí)行任務(wù)：事件循環(huán)會(huì)執(zhí)行所選擇的就緒任務(wù)，直到任務(wù)完成或者遇到await關(guān)鍵字，需要暫時(shí)掛起任務(wù)的執(zhí)行。
• 掛起任務(wù)：如果任務(wù)遇到await關(guān)鍵字，它會(huì)將控制權(quán)交還給事件循環(huán)，并等待 await后面的異步操作完成。
• 繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)：在等待await的異步操作完成的過(guò)程中，事件循環(huán)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行其他就緒的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了并發(fā)執(zhí)行的效果。
• 異步操作完成： 當(dāng)一個(gè) await 后面的異步操作完成后，事件循環(huán)會(huì)通知原來(lái)的任務(wù)，使得它可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作。

2.2 asyncio包

asyncio包python中常用的異步編程框架，這里使用該框架完成一個(gè)簡(jiǎn)單的異步編程案例，具體如下：

import time
import datetime
import asyncio
async def async_read_file():
    print("async讀文件開(kāi)始:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    await asyncio.sleep(20)
    print("async讀文件完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

def computer():
    print("普通計(jì)算密集型任務(wù):",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    sum=0
    for i in range(1000000):
        if i%250000==0 and i!=0:
            print("普通計(jì)算密集型任務(wù)正在執(zhí)行:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
        for j in range(500):
            sum+=i+j-2*j
    print("普通計(jì)算密集型任務(wù)完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

def computer2():
    print("普通CPU密集型任務(wù):",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
    sum=0
    for i in range(1000000):
        if i%250000==0 and i!=0:
            print("普通CPU密集型任務(wù)正在執(zhí)行:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))
        for j in range(5000):
            sum+=i+j-2*j
    print("普通CPU密集型任務(wù)完成:",datetime.datetime.fromtimestamp(time.time()))

async def asy_main():
    task=loop.create_task(async_read_file()) # 創(chuàng)建一個(gè)任務(wù),并添加到事件循環(huán),等待執(zhí)行
    task2=loop.run_in_executor(None,computer)# 將普通函數(shù)read_file添加到事件循環(huán)中,等待執(zhí)行
    task3=loop.run_in_executor(None,computer2)# 將普通函數(shù)read_file2添加到事件循環(huán)中,等待執(zhí)行
    await task3
    await task2
    await task

loop=asyncio.get_event_loop() # 創(chuàng)建一個(gè)事件循環(huán)
loop.run_until_complete(asy_main())

其執(zhí)行結(jié)果如下：

普通計(jì)算密集型任務(wù): 2024-05-15 18:29:19.702689
普通CPU密集型任務(wù): 2024-05-15 18:29:19.708280
async讀文件開(kāi)始: 2024-05-15 18:29:19.738654
普通計(jì)算密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:21.441072
普通計(jì)算密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:23.192585
普通計(jì)算密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:24.936979
普通計(jì)算密集型任務(wù)完成: 2024-05-15 18:29:26.712930
普通CPU密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:32.539679
async讀文件完成: 2024-05-15 18:29:39.752731
普通CPU密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:41.813872
普通CPU密集型任務(wù)正在執(zhí)行: 2024-05-15 18:29:51.103737
普通CPU密集型任務(wù)完成: 2024-05-15 18:30:00.433402

從代碼運(yùn)行結(jié)果中可以看到，兩個(gè)計(jì)算密集型的任務(wù)task2、task3和異步函數(shù)task添加到事件循環(huán)上之后，在等待異步操作task完成的過(guò)程中，CPU并沒(méi)有閑著，而是在執(zhí)行task2和task3的任務(wù)。

Tips:雖然當(dāng)下的執(zhí)行結(jié)果中寫完成了computer()的計(jì)算，后完成了computer2()的計(jì)算，但多次執(zhí)行上述程序的時(shí)候也出現(xiàn)了兩個(gè)函數(shù)交替執(zhí)行的結(jié)果。

為了與上述代碼形成對(duì)比，執(zhí)行下述代碼：

import asyncio
import datetime

async def async_task(name, delay):
    print(f"Task {name} started:",datetime.datetime.now())
    await asyncio.sleep(delay)
    print(f"Task {name} finished:",datetime.datetime.now())

async def main():
    await async_task("A", 2)
    await async_task("B", 1)
    await async_task("C", 3)

asyncio.run(main())

其代碼執(zhí)行結(jié)果如下：

Task A started: 2024-05-21 17:45:24.324535
Task A finished: 2024-05-21 17:45:26.326109
Task B started: 2024-05-21 17:45:26.326250
Task B finished: 2024-05-21 17:45:27.327795
Task C started: 2024-05-21 17:45:27.327923
Task C finished: 2024-05-21 17:45:30.329475

從執(zhí)行結(jié)果上可以看到這三個(gè)異步操作是順序執(zhí)行的，并沒(méi)有同時(shí)執(zhí)行。

這是因?yàn)樵趫?zhí)行await后面的異步操作時(shí)事件循環(huán)中只有一個(gè)任務(wù)。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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