阻塞型I/O和GIL

CPython 解釋器本身就不是線程安全的，因此有全局解釋器鎖（GIL），一次只允許使用一個(gè)線程執(zhí)行 Python 字節(jié)碼。因此，一個(gè) Python 進(jìn)程通常不能同時(shí)使用多個(gè) CPU 核心。

然而，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中所有執(zhí)行阻塞型 I/O 操作的函數(shù)，在等待操作系統(tǒng)返回結(jié)果時(shí)都會(huì)釋放GIL。這意味著在 Python 語(yǔ)言這個(gè)層次上可以使用多線程，而 I/O 密集型 Python 程序能從中受益：一個(gè) Python 線程等待網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)，阻塞型 I/O 函數(shù)會(huì)釋放 GIL，再運(yùn)行一個(gè)線程。

asyncio

這個(gè)包使用事件循環(huán)驅(qū)動(dòng)的協(xié)程實(shí)現(xiàn)并發(fā)。 asyncio 大量使用 yield from 表達(dá)式，因此與Python 舊版不兼容。

asyncio 包使用的“協(xié)程”是較嚴(yán)格的定義。適合asyncio API 的協(xié)程在定義體中必須使用 yield from，而不能使用 yield。此外，適合 asyncio 的協(xié)程要由調(diào)用方驅(qū)動(dòng)，并由調(diào)用方通過(guò) yield from 調(diào)用；

示例1

import threading
import asyncio

@asyncio.coroutine
def hello():
  print('Start Hello', threading.currentThread())
  yield from asyncio.sleep(5)
  print('End Hello', threading.currentThread())

@asyncio.coroutine
def world():
  print('Start World', threading.currentThread())
  yield from asyncio.sleep(3)
  print('End World', threading.currentThread())

# 獲取EventLoop:
loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [hello(), world()]
# 執(zhí)行coroutine
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

@asyncio.coroutine把生成器函數(shù)標(biāo)記為協(xié)程類(lèi)型。
asyncio.sleep(3) 創(chuàng)建一個(gè)3秒后完成的協(xié)程。
loop.run_until_complete（future），運(yùn)行直到future完成；如果參數(shù)是 coroutine object,則需要使用 ensure_future()函數(shù)包裝。
loop.close() 關(guān)閉事件循環(huán)

示例2

import asyncio

@asyncio.coroutine
def worker(text):
  """
  協(xié)程運(yùn)行的函數(shù)
  :param text:
  :return:
  """
  i = 0
  while True:
    print(text, i)

    try:
      yield from asyncio.sleep(.1)
    except asyncio.CancelledError:
      break

    i += 1


@asyncio.coroutine
def client(text, io_used):
  worker_fu = asyncio.ensure_future(worker(text))

  # 假裝等待I/O一段時(shí)間
  yield from asyncio.sleep(io_used)

  # 結(jié)束運(yùn)行協(xié)程
  worker_fu.cancel()
  return 'done'


loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [client('xiaozhe', 3), client('zzzz', 5)]
result = loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()
print('Answer:', result)

解釋?zhuān)?

1. asyncio.ensure_future（coro_or_future, *, loop=None）：計(jì)劃安排一個(gè) coroutine object的執(zhí)行，返回一個(gè) asyncio.Task object。
2. worker_fu.cancel()： 取消一個(gè)協(xié)程的執(zhí)行，拋出CancelledError異常。
3. asyncio.wait()：協(xié)程的參數(shù)是一個(gè)由期物或協(xié)程構(gòu)成的可迭代對(duì)象； wait 會(huì)分別把各個(gè)協(xié)程包裝進(jìn)一個(gè) Task 對(duì)象。

asyncio.Task 對(duì)象與threading.Thread對(duì)象的比較

asyncio.Task 對(duì)象差不多與 threading.Thread 對(duì)象等效。
Task 對(duì)象用于驅(qū)動(dòng)協(xié)程， Thread 對(duì)象用于調(diào)用可調(diào)用的對(duì)象。
Task 對(duì)象不由自己動(dòng)手實(shí)例化，而是通過(guò)把協(xié)程傳給 asyncio.ensure_future(…) 函數(shù)或loop.create_task(…) 方法獲取。
獲取的 Task 對(duì)象已經(jīng)排定了運(yùn)行時(shí)間；Thread 實(shí)例則必須調(diào)用 start 方法，明確告知讓它運(yùn)行。
如果想終止任務(wù)，可以使用 Task.cancel() 實(shí)例方法，在協(xié)程內(nèi)部拋出CancelledError 異常。

線程與協(xié)程的安全比較

如果使用線程做過(guò)重要的編程，因?yàn)檎{(diào)度程序任何時(shí)候都能中斷線程。必須記住保留鎖，去保護(hù)程序中的重要部分，防止多步操作在執(zhí)行的過(guò)程中中斷，防止數(shù)據(jù)處于無(wú)效狀態(tài)。

協(xié)程默認(rèn)會(huì)做好全方位保護(hù)，以防止中斷。我們必須顯式產(chǎn)出才能讓程序的余下部分運(yùn)行。對(duì)協(xié)程來(lái)說(shuō)，無(wú)需保留鎖，在多個(gè)線程之間同步操作，協(xié)程自身就會(huì)同步，因?yàn)樵谌我鈺r(shí)刻只有一個(gè)協(xié)程運(yùn)行。想交出控制權(quán)時(shí)，可以使用 yield 或 yield from 把控制權(quán)交還調(diào)度程序。這就是能夠安全地取消協(xié)程的原因：按照定義，協(xié)程只能在暫停的 yield處取消，因此可以處理 CancelledError 異常，執(zhí)行清理操作。

Future（期物）

通常情況下自己不應(yīng)該創(chuàng)建期物，而只能由并發(fā)框架（concurrent.futures 或 asyncio）實(shí)例化。原因很簡(jiǎn)單：期物表示終將發(fā)生的事情，而確定某件事會(huì)發(fā)生的唯一方式是執(zhí)行的時(shí)間已經(jīng)排定。

asyncio.Future

在 asyncio 包中， BaseEventLoop.create_task(…) 方法接收一個(gè)協(xié)程，排定它的運(yùn)行時(shí)間，然后返回一個(gè) asyncio.Task 實(shí)例——也是 asyncio.Future 類(lèi)的實(shí)例，因?yàn)?Task 是Future 的子類(lèi)，用于包裝協(xié)程。

asyncio.ensure_future（coro_or_future, *, loop=None）

這個(gè)函數(shù)統(tǒng)一了協(xié)程和期物：第一個(gè)參數(shù)可以是二者中的任何一個(gè)。如果是 Future 或 Task 對(duì)象，那就原封不動(dòng)地返回。如果是協(xié)程，那么 async 函數(shù)會(huì)調(diào)用loop.create_task(…) 方法創(chuàng)建 Task 對(duì)象。 loop= 關(guān)鍵字參數(shù)是可選的，用于傳入事件循環(huán)；如果沒(méi)有傳入，那么 async 函數(shù)會(huì)通過(guò)調(diào)用 asyncio.get_event_loop() 函數(shù)獲取循環(huán)對(duì)象。

BaseEventLoop.create_task(coro)

這個(gè)方法排定協(xié)程的執(zhí)行時(shí)間，返回一個(gè) asyncio.Task 對(duì)象。

asyncio 包中有多個(gè)函數(shù)會(huì)自動(dòng)把參數(shù)指定的協(xié)程包裝在 asyncio.Task 對(duì)象中，例如 BaseEventLoop.run_until_complete(…) 方法。

asyncio.as_completed

為了集成進(jìn)度條，我們可以使用的是 as_completed 生成器函數(shù)；幸好， asyncio 包提供了這個(gè)生成器函數(shù)的相應(yīng)版本。

使用asyncio和aiohttp包

從 Python 3.4 起， asyncio 包只直接支持 TCP 和 UDP。如果想使用 HTTP 或其他協(xié)議，那么要借助第三方包 aiohttp 。

cc_list = ['China', 'USA']

@asyncio.coroutine
def get_flag(cc):
  url = '{}/{cc}/{cc}.gif'.format(BASE_URL, cc=cc.lower())
  resp = yield from aiohttp.request('GET', url)
  image = yield from resp.read()
  return image

@asyncio.coroutine
def download_one(name): 
  image = yield from get_flag(name) 
  save_flag(image, name.lower() + '.gif')
  return name

loop = asyncio.get_event_loop() 
wait_coro = asyncio.wait([download_one(cc) for cc in sorted(cc_list)]) 
res, _ = loop.run_until_complete(wait_coro) 
loop.close()

使用 asyncio 包時(shí)，我們編寫(xiě)的異步代碼中包含由 asyncio 本身驅(qū)動(dòng)的協(xié)程（即委派生成器），而生成器最終把職責(zé)委托給 asyncio 包或第三方庫(kù)（如aiohttp）中的協(xié)程。這種處理方式相當(dāng)于架起了管道，讓 asyncio 事件循環(huán)（通過(guò)我們編寫(xiě)的協(xié)程）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行低層異步 I/O 操作的庫(kù)函數(shù)。

避免阻塞型調(diào)用

有兩種方法能避免阻塞型調(diào)用中止整個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程：
1. 在單獨(dú)的線程中運(yùn)行各個(gè)阻塞型操作
2. 把每個(gè)阻塞型操作轉(zhuǎn)換成非阻塞的異步調(diào)用使用

多個(gè)線程是可以的，但是各個(gè)操作系統(tǒng)線程（Python 使用的是這種線程）消耗的內(nèi)存達(dá)兆字節(jié)（具體的量取決于操作系統(tǒng)種類(lèi)）。如果要處理幾千個(gè)連接，而每個(gè)連接都使用一個(gè)線程的話，我們負(fù)擔(dān)不起。

把生成器當(dāng)作協(xié)程使用是異步編程的另一種方式。對(duì)事件循環(huán)來(lái)說(shuō)，調(diào)用回調(diào)與在暫停的協(xié)程上調(diào)用 .send() 方法效果差不多。各個(gè)暫停的協(xié)程是要消耗內(nèi)存，但是比線程消耗的內(nèi)存數(shù)量級(jí)小。

上面的腳本為什么會(huì)很快

在上面的腳本中，調(diào)用 loop.run_until_complete 方法時(shí)，事件循環(huán)驅(qū)動(dòng)各個(gè)download_one 協(xié)程，運(yùn)行到第一個(gè) yield from 表達(dá)式處時(shí)，那個(gè)表達(dá)式驅(qū)動(dòng)各個(gè)get_flag 協(xié)程，然后在get_flag協(xié)程里面運(yùn)行到第一個(gè) yield from 表達(dá)式處時(shí)，調(diào)用 aiohttp.request(…)函數(shù)。這些調(diào)用都不會(huì)阻塞，因此在零點(diǎn)幾秒內(nèi)所有請(qǐng)求全部開(kāi)始。

asyncio 的基礎(chǔ)設(shè)施獲得第一個(gè)響應(yīng)后，事件循環(huán)把響應(yīng)發(fā)給等待結(jié)果的 get_flag 協(xié)程。得到響應(yīng)后， get_flag 向前執(zhí)行到下一個(gè) yield from 表達(dá)式處，調(diào)用resp.read() 方法，然后把控制權(quán)還給主循環(huán)。其他響應(yīng)會(huì)陸續(xù)返回。所有 get_ flag 協(xié)程都獲得結(jié)果后，委派生成器 download_one 恢復(fù)，保存圖像文件。

async和await

為了簡(jiǎn)化并更好地標(biāo)識(shí)異步IO，從Python 3.5開(kāi)始引入了新的語(yǔ)法async和await，可以讓coroutine的代碼更簡(jiǎn)潔易讀。

async和await是針對(duì)coroutine的新語(yǔ)法，要使用新的語(yǔ)法，只需要做兩步簡(jiǎn)單的替換。
1. 把@asyncio.coroutine替換為async
2. 把yield from替換為await

例如：

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

等同于

async def hello():
  print("Hello world!")
  r = await asyncio.sleep(1)
  print("Hello again!")

網(wǎng)站請(qǐng)求實(shí)例

import asyncio
import aiohttp

urls = [
  'http://www.163.com/',
  'http://www.sina.com.cn/',
  'https://www.hupu.com/',
  'http://www.csdn.net/'
]


async def get_url_data(u):
  """
  讀取url的數(shù)據(jù)
  :param u:
  :return:
  """
  print('running ', u)
  async with aiohttp.ClientSession() as session:
    async with session.get(u) as resp:
      print(u, resp.status, type(resp.text()))
      # print(await resp.text())

  return resp.headers


async def request_url(u):
  """
  主調(diào)度函數(shù)
  :param u:
  :return:
  """
  res = await get_url_data(u)
  return res


loop = asyncio.get_event_loop()
task_lists = asyncio.wait([request_url(u) for u in urls])
all_res, _ = loop.run_until_complete(task_lists)
loop.close()

print(all_res)

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