深入理解Python中的并发与异步的结合使用

​ 在上一篇文章中，我们讨论了异步编程中的性能优化技巧，并简单介绍了trio和curio库。今天，我们将深入探讨如何将并发编程与异步编程结合使用，并详细讲解如何利用trio和curio库优化异步编程中的性能。

[TOC]

并发与异步编程的区别与联系

并发编程和异步编程都是处理多任务的有效手段，但它们的实现方式和适用场景有所不同：

• 并发编程：通过线程或进程来同时执行多个任务，适用于CPU密集型任务；
• 异步编程：通过事件循环和协程来调度任务，适用于I/O密集型任务。

结合使用并发和异步编程，可以同时处理CPU密集型和I/O密集型任务，提升程序整体性能。

并发编程与异步编程的优缺点

并发编程

• 优点：

  • 可以充分利用多核CPU的优势，提高程序的执行效率；
  • 适用于需要大量计算的任务，例如数据处理、图像处理等。

• 缺点：

  • 线程和进程的管理和调度较为复杂，需要处理同步、锁等问题；
  • 创建和销毁线程或进程会有一定的开销。

异步编程

• 优点：

  • 适用于I/O密集型任务，可以在等待I/O操作完成时执行其他任务，提高资源利用率；
  • 代码更加简洁，逻辑清晰。

• 缺点：

  • 仅能在单线程中运行，不能利用多核CPU的优势；
  • 对于CPU密集型任务效果不佳。

如何在同一个程序中同时使用 threading、multiprocessing 和 asyncio

在同一个程序中，我们可以利用 threading 和 multiprocessing 提供并发能力，同时使用 asyncio 实现异步I/O操作：

使用 threading 和 asyncio

import asyncio
import threading

async def async_task():
    print("Starting async task")
    await asyncio.sleep(2)
    print("Async task completed")

def sync_task(loop):
    print("Starting sync task")
    loop.run_until_complete(async_task())
    print("Sync task completed")

loop = asyncio.get_event_loop()
thread = threading.Thread(target=sync_task, args=(loop,))
thread.start()
thread.join()

使用 multiprocessing 和 asyncio

import asyncio
import multiprocessing

async def async_task():
    print("Starting async task")
    await asyncio.sleep(2)
    print("Async task completed")

def sync_task():
    loop = asyncio.new_event_loop()
    asyncio.set_event_loop(loop)
    loop.run_until_complete(async_task())

if __name__ == "__main__":
    process = multiprocessing.Process(target=sync_task)
    process.start()
    process.join()

深入使用 trio 库

trio对异步编程提供了更友好的API，以及更加健壮的错误处理机制；它简化了异步编程的许多复杂性，特别是对于需要多个并发任务的场景：

基本使用

import trio
import asks

async def fetch(url):
    response = await asks.get(url)
    return response.text

async def main():
    urls = ['http://example.com', 'http://example.org', 'http://example.net']
    async with trio.open_nursery() as nursery:
        for url in urls:
            nursery.start_soon(fetch, url)

trio.run(main)

高级功能：取消与超时

在trio中，可以轻松地对任务进行取消和超时操作：

import trio

async def long_running_task():
    try:
        print("Task started")
        await trio.sleep(10)
        print("Task completed")
    except trio.Cancelled:
        print("Task was cancelled")

async def main():
    async with trio.open_nursery() as nursery:
        nursery.start_soon(long_running_task)
        await trio.sleep(5)
        nursery.cancel_scope.cancel()

trio.run(main)

异常处理与重试机制

import trio
import asks

async def fetch_with_retry(url, retries=3):
    for attempt in range(retries):
        try:
            response = await asks.get(url)
            return response.text
        except Exception as e:
            print(f"Attempt {attempt + 1} failed: {e}")
            await trio.sleep(2)
    raise Exception(f"Failed to fetch {url} after {retries} attempts")

async def main():
    urls = ['http://example.com', 'http://example.org', 'http://example.net']
    async with trio.open_nursery() as nursery:
        for url in urls:
            nursery.start_soon(fetch_with_retry, url)

trio.run(main)

深入使用 curio 库

curio 是另一个异步编程库，主要强调简单性和高性能，适用于需要低延迟和高吞吐量的场景：

基本使用

import curio
import httpx

async def fetch(url):
    async with httpx.AsyncClient() as client:
        response = await client.get(url)
        return response.text

async def main():
    urls = ['http://example.com', 'http://example.org', 'http://example.net']
    tasks = [fetch(url) for url in urls]
    results = await curio.gather(tasks)
    for result in results:
        print(result[:100])

if __name__ == "__main__":
    curio.run(main)

高级功能：任务取消与超时

curio 和trio一样提供了强大的任务管理功能，其中也包括对任务取消和超时操作的处理：

import curio

async def long_running_task():
    try:
        print("Task started")
        await curio.sleep(10)
        print("Task completed")
    except curio.CancelledError:
        print("Task was cancelled")

async def main():
    task = await curio.spawn(long_running_task)
    await curio.sleep(5)
    await task.cancel()

if __name__ == "__main__":
    curio.run(main)

使用信号与事件进行任务同步

import curio![](https://files.mdnice.com/user/68804/a9f7fe95-2fc1-4c87-963a-cdbf8c34108b.jpg)


async def producer(event):
    print("Producer sleeping")
    await curio.sleep(5)
    print("Producer setting event")
    await event.set()

async def consumer(event):
    print("Consumer waiting for event")
    await event.wait()
    print("Consumer got event")

async def main():
    event = curio.Event()
    await curio.gather(producer(event), consumer(event))

if __name__ == "__main__":
    curio.run(main)

性能优化技巧

通过结合并发和异步编程技术，以及使用trio和curio库，我们可以在处理大量I/O密集型任务时获得显著的性能提升，以下是我在工作中常用的一些性能优化技巧：

1. 限制并发请求数量：使用信号量（semaphore）限制同时进行的请求数量，防止过多的请求导致系统资源枯竭；
2. 分块处理任务：将任务划分为多个块，分别进行处理，避免一次性处理大量任务导致的性能问题；
3. 使用连接池：复用连接，减少连接建立和销毁的开销；
4. 合理设置超时时间：为每个请求设置合理的超时时间，防止由于某些请求超时导致整个任务的延迟；
5. 异步I/O操作：尽量使用异步I/O操作，避免阻塞主线程。

结语

通过本文的介绍，我们深入学习了如何将并发编程与异步编程结合使用，以最大化程序的性能和效率。结合使用 threading、multiprocessing 和 asyncio 可以同时处理CPU密集型和I/O密集型任务，提升程序整体性能，希望这些技巧能帮助你在实际项目中编写出高效、稳定的代码！

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