Python编程精进：异步编程要点

Python 异步编程是指通过非阻塞的方式来执行多个任务的编程方式，这可以大大提高程序的效率，尤其是在处理 I/O 密集型任务时。Python 中的异步编程主要依赖于 asyncio 模块，并且通过 async 和 await 关键字来实现。下面是 Python 异步编程的一些要点：

1. 使用 async def 定义异步函数

def hello():
    return 'hello'
print(hello)  # <function hello at 0x100ce8e00>

这是一个普通的函数。

async def hello():
    return 'hello'
print(hello)  # <function hello at 0x102b58e00>

这是一个使用 async def 关键字定义的异步函数。注意，当我们打印它时，它仍然是一个函数类型。

2. 调用异步函数会返回一个协程

def hello():
    return 'hello'
print(hello())  # hello

这是一个普通的函数调用，直接返回字符串 hello。

async def hello():
    return 'hello'
print(hello())  
# <coroutine object hello at 0x10276f320>
# RuntimeWarning: coroutine 'hello' was never awaited

当我们像调用普通函数一样调用异步函数时，它会返回一个协程对象，而不是它的返回值。同时，我们还会收到一个运行时警告：coroutine 'hello' was never awaited —— 协程通常需要使用 await 来等待（稍后会详细说明）。

3. 协程的含义

协程是一种特殊的函数，它可以在执行其他任务时被暂停和恢复。协程还可以暂时将控制权交给其他协程。这使得我们能够在同一时间并发执行多个任务。

4. 使用 asyncio.run() 直接运行协程

async def hello():
    print('running hello coroutine')
    return 'hello'
asyncio.run(hello())  # running hello coroutine

这才是运行协程的正确方式。

需要注意的是，asyncio 是 Python 标准库的一部分，这意味着它已经随着 Python 一起安装好了，我们不需要安装任何额外的第三方库。我们只需要 import asyncio，就可以开始使用它了。

asyncio.run() 用于启动一个事件循环，并在循环中执行传入的协程。

5. 使用 await 运行协程

await 用于暂停协程的执行，直到另一个协程完成。在等待时，事件循环可以切换到其他协程，提升了程序的并发能力。

假设我们有一个 hello 协程和一个 main 协程：

import asyncio
async def hello():
    print('running hello coroutine')
    return 'hello'
async def main():
    x = await hello()
    print(x)
asyncio.run(main())    
# running hello coroutine
# hello

如果我们在另一个协程 main 中调用 hello，就需要使用 await 关键字。可以将 await hello() 理解为“等待 hello() 完成，然后将返回值赋给 x”，这就是为什么我们打印 x 时会得到 hello。

• await 后面可以跟协程、任务、Future 对象等。
• await 是非阻塞的，执行时不会阻塞整个程序的运行。

6. 只能在使用 async def 定义的函数中使用 await

import asyncio
async def hello():
    print('running hello coroutine')
    return 'hello'
def test():
    x = await hello()
test()
# SyntaxError: 'await' outside async function

在这里，我们试图在普通函数 test 中使用 await，因此会引发语法错误。如果要使用 await 关键字，它必须在使用 async def 定义的异步函数中。

7. 使用 asyncio.create_task 封装任务

任务是协程的封装，它表示一个正在运行的协程，并提供了协程执行的状态信息。我们可以通过 asyncio.create_task() 或 loop.create_task() 来将协程包装成任务。

import asyncio

async def my_coroutine():
    print("开始执行")
    await asyncio.sleep(1)
    print("执行完成")

# 创建并运行多个任务
async def main():
    task1 = asyncio.create_task(my_coroutine())
    task2 = asyncio.create_task(my_coroutine())
    await task1
    await task2

asyncio.run(main())

asyncio.create_task() 将协程包装成任务并开始执行，await 用于等待任务完成。

8. 使用 asyncio.gather 并发运行多个协程

import asyncio
async def hello():
    print('start')
    await asyncio.sleep(1)
    print('end')
async def main():
    await asyncio.gather(hello(), hello(), hello())
asyncio.run(main())
# start
# start
# start
# end
# end
# end

运行这个脚本时，会首先打印出三个 start，然后大约 1 秒后打印出三个 end。

发生了什么？

• asyncio.sleep(1) 使协程暂停 1 秒。
• asyncio.gather 并发运行三个 hello() 协程。
• 这就是为什么所有的 start 都一起打印出来，所有的 end 也一起打印出来。

总结

Python 的异步编程得益于 asyncio 库，它为 Python 提供了原生的协程支持，让编写并发任务变得更加高效和简洁。asyncio 是 Python 3.4 引入的，随着 Python 3.5+ 的 async 和 await 语法的加入，asyncio 的异步编程模型变得更加直观和易用。

asyncio 是一个基于 事件循环 的库，它允许你通过 协程 来处理异步 I/O 操作。其核心思想是通过事件循环来调度任务执行，使得 I/O 密集型操作（如文件读写、网络请求）不会阻塞整个程序的执行。通过这种方式，Python 能够在单线程内高效地执行多个任务，避免了传统多线程编程中线程切换的开销。

本文由mdnice多平台发布