过分揣测别人的想法,就会失去自己的立场。大家好,当代软件开发领域中,异步编程已成为一种不可或缺的技术,用于处理大规模数据处理、高并发网络请求、实时通信等应用场景。而Python协程(Coroutine)作为一种高效的异步编程模型,引起了广泛的关注和应用。通过利用Python协程,开发者可以以更加简洁、可读性更高的方式编写异步代码,实现并发执行和非阻塞IO操作,从而提高程序的性能和响应能力。
一、协程介绍
协程(Coroutines)是一种轻量级的并发编程方式,可用于在单线程内实现并发和异步操作。Python 提供了协程的支持,通过 asyncio
模块和 async
/await
关键字,可以编写异步代码并实现高效的非阻塞 IO 操作。
Python 协程相对于多线程具有以下几个优势:
-
轻量级:协程是在单个线程内执行的,因此相比于多线程,协程的创建和切换开销较小,占用的系统资源更少。
-
高效的并发:协程利用异步非阻塞的方式实现并发操作,可以在等待 IO 操作时挂起,让出 CPU 的执行权,从而充分利用 CPU 的处理能力。相比于多线程,协程在 IO 密集型任务中通常表现更好。
-
简化的同步编程:使用协程和
async/await
关键字,可以编写类似于同步代码的异步代码。协程在编写和理解上更加直观和简单,避免了传统多线程编程中的锁和线程同步等问题。 -
避免竞态条件:由于协程在单线程内运行,不存在多线程的竞态条件(Race Condition)问题。协程的执行是按顺序逐个执行的,不需要额外的同步机制来保证数据的一致性。
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可扩展性:协程模型可以方便地实现高层级的并发和并行操作。通过协程的组合和调度,可以构建复杂的并发模式,如并发任务的并行执行、协程间的消息传递等。
应用场景:
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异步网络编程:协程在网络编程中非常有用,特别是在处理大量并发连接的情况下。通过使用协程,可以实现高性能的异步网络服务器和客户端,处理并发的网络请求、响应和数据传输。
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异步 IO 操作:协程适用于处理各种异步 IO 操作,如文件读写、数据库查询、网络请求等。通过使用协程,可以避免阻塞主线程,提高程序的吞吐量和响应能力。
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Web 开发框架:许多 Python Web 框架(如Tornado、Sanic、FastAPI等)使用协程作为并发处理请求的方式。这些框架利用协程的特性处理大量的并发请求,提供高性能的 Web 服务。
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数据爬取和抓取:协程在数据爬取和抓取任务中非常常见。通过使用协程,可以并发地发送请求、解析响应和提取数据,从而加快数据获取的速度。
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并发任务调度:协程可以用于并发任务的调度和执行。通过构建协程任务队列,并使用协程调度器进行任务的调度和执行,可以实现高效的并发任务处理。
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高性能计算:虽然协程主要用于处理 IO 密集型任务,但在某些情况下,也可以用于并发执行计算密集型任务。通过合理的任务调度和利用协程的非阻塞特性,可以充分利用 CPU 资源,提高计算任务的执行效率。
Python 协程相对于多线程更加轻量且高效,适用于处理 IO 密集型任务和异步编程场景。它简化了异步编程的复杂性,并提供了一种更加直观和简单的方式来实现并发操作。然而,协程也有一些局限性,例如无法利用多核 CPU 的并行处理能力,因此在 CPU 密集型任务中可能不如多线程效果好。在实际应用中,需要根据具体的需求和场景选择适合的并发模型。
二、async
和 await
关键字
async
和 await
是 Python 3.5+ 引入的关键字,用于定义和管理协程(Coroutines)。
1、async
关键字
async 关键字用于修饰函数 ,将其标记为协程函数(coroutine function)。协程函数在调用时返回一个协程对象,并且可以包含 await 表达式。
协程函数的执行过程中,可以使用 await 等待其他协程对象的执行结果,同时挂起自身的执行,并将控制权交给事件循环(Event Loop)。
在协程函数内部,可以执行异步操作,如异步 IO、 网络请求等,而无需阻塞整个程序的执行。
python
async def my_coroutine():
# 协程函数的逻辑
await some_async_operation()
# 其他操作
2、await
关键字
await
关键字用于等待一个协程对象的执行结果,并暂时挂起当前协程的执行,直到该协程执行完成并返回结果。- 在协程函数内部使用
await
关键字时,协程会将控制权交给事件循环,以便在等待期间执行其他协程或异步操作。 await
表达式通常用于异步操作的调用,如异步 IO 操作、网络请求等,以便在等待期间不阻塞程序的其他部分。
python
async def my_coroutine():
# 协程函数的逻辑
result = await some_async_operation()
# 使用结果进行其他操作
使用 async
和 await
关键字可以轻松地编写异步代码,实现协程的挂起和恢复,并在等待异步操作时不阻塞整个程序的执行。这种方式使得编写异步程序更加直观和简洁,类似于编写同步代码的方式。同时,通过事件循环的调度,协程可以高效地处理并发任务和异步操作,提高程序的性能和响应能力。
三、协程对象
协程对象是使用 async
关键字定义的函数的返回结果。它代表一个暂停执行的函数,可以通过 await
等待其执行完成,并获得其返回值。
1、创建协程对象
- 协程对象是通过调用使用
async
关键字定义的协程函数来创建的。协程函数在调用时不会立即执行函数体内的代码,而是返回一个协程对象。 - 协程对象可以像普通函数一样被调用,但是它的执行需要通过事件循环(Event Loop)的调度来实现。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
return "Coroutine finished"
coro = my_coroutine() # 创建协程对象
2、等待协程对象的执行
- 协程对象可以被等待和执行,以获取其执行结果。这通常通过在其他协程或异步函数内使用
await
关键字来实现。 - 在等待协程对象时,当前的协程会暂时挂起,让出事件循环的控制权,等待协程对象的执行完成,并获得其返回值。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
return "Coroutine finished"
async def main():
result = await my_coroutine() # 等待协程对象的执行
print(result)
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())
3、协程对象的状态
- 协程对象有三种状态:等待状态(awaitable)、运行状态(running)和完成状态(done)。
- 初始时,协程对象处于等待状态,表示它可以被等待执行。当协程对象被事件循环调度执行时,进入运行状态。最终,当协程对象执行完成时,进入完成状态。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
return "Coroutine finished"
coro = my_coroutine() # 创建协程对象
print(coro) # <coroutine object my_coroutine at 0x7f1e5c0b5d60>
print(coro.cr_running) # False,表示协程对象不在运行状态
print(coro.cr_await) # None,表示协程对象没有被等待
三、事件循环
事件循环(Event Loop)是协程编程中的核心概念,用于调度和执行协程对象。它负责协调协程的执行顺序,处理协程的挂起和恢复,并管理异步操作的完成事件。
1、创建事件循环
- 在 Python 中,可以通过
asyncio
模块的get_event_loop()
方法来获取默认的事件循环对象。 - 也可以使用
asyncio
模块的new_event_loop()
方法来创建新的事件循环对象。
python
import asyncio
loop = asyncio.get_event_loop() # 获取默认的事件循环对象
# 或者
loop = asyncio.new_event_loop() # 创建新的事件循环对象
2、注册协程对象
- 使用事件循环的
create_task()
方法可以将协程对象注册到事件循环中,以便事件循环调度其执行。 - 注册后的协程对象会在事件循环的调度下按照顺序执行。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
print("Coroutine finished")
loop = asyncio.get_event_loop()
task = loop.create_task(my_coroutine()) # 注册协程对象到事件循环
3、运行事件循环
- 通过调用事件循环的
run_until_complete()
方法,并传入需要运行的协程对象,可以启动事件循环并运行协程直到其完成。 - 在运行过程中,事件循环会根据协程的状态和事件的发生情况,决定哪个协程继续执行、哪个协程挂起等。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
print("Coroutine finished")
async def main():
loop = asyncio.get_event_loop()
task = loop.create_task(my_coroutine()) # 注册协程对象到事件循环
await task
asyncio.run(main()) # 运行事件循环,直到协程完成
4、控制事件循环
- 事件循环提供了一些方法来控制其行为,如
stop()
方法用于停止事件循环的运行,is_running()
方法用于检查事件循环是否在运行中等。 - 可以使用
run_forever()
方法来启动事件循环,并使其一直运行,直到手动停止。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
# 协程逻辑
await asyncio.sleep(1)
print("Coroutine finished")
async def main():
loop = asyncio.get_event_loop()
task = loop.create_task(my_coroutine()) # 注册协程对象到事件循环
await task
loop.stop() # 停止事件循环
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main()) # 运行事件循环,直到协程完成
四、异步操作和挂起点
异步操作和挂起点是协程编程中的关键概念,用于处理并发任务和实现非阻塞的异步操作。
1、异步操作
- 异步操作是指可以在后台进行而不会阻塞程序执行的操作。这些操作通常涉及 IO 操作、网络请求、数据库查询等耗时的任务。
- 在传统的同步编程中,这些操作会阻塞程序的执行,直到操作完成才能继续执行后续代码。而在异步编程中,这些操作可以在后台进行,程序可以继续执行其他任务。
- 异步操作通常是通过使用异步库、框架或语言提供的异步函数来实现。
2、挂起点(Suspend Point)
- 挂起点是协程中的一个特殊位置,在该位置协程可以暂时挂起自身的执行,让出事件循环的控制权,等待某个条件满足或异步操作完成后再继续执行。
- 挂起点通常通过使用
await
表达式来实现,它用于等待一个异步操作的完成,并将控制权交给事件循环。 - 在挂起点之前的代码会被执行,但在挂起点之后的代码在等待期间不会执行,直到挂起点恢复执行。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
print("Before await")
await some_async_operation() # 挂起点
print("After await")
async def some_async_operation():
await asyncio.sleep(1) # 模拟异步操作
asyncio.run(my_coroutine())
3、挂起和恢复
- 当协程遇到挂起点时,它会暂停执行,并将控制权交给事件循环,以便在等待期间执行其他协程或异步操作。
- 一旦挂起点等待的条件满足或异步操作完成,协程会从挂起点恢复执行,并继续执行挂起点之后的代码。
- 挂起和恢复的过程是通过事件循环的调度来实现的,事件循环会根据协程的状态和事件的发生情况,决定哪个协程继续执行、哪个协程挂起等。
python
import asyncio
async def my_coroutine():
print("Before await")
await some_async_operation() # 挂起点
print("After await")
async def some_async_operation():
await asyncio.sleep(1) # 模拟异步操作
asyncio.run(my_coroutine())
五、并发执行协程
并发执行协程是协程编程的一个重要特性,它允许多个协程同时执行,以提高程序的性能和响应能力。
1、并发与并行
- 在讨论并发执行协程之前,需要明确并发和并行的概念。
- 并发是指多个任务在同一时间段内交替进行,通过时间片轮转或调度算法来实现任务切换,给人一种同时执行的感觉。
- 并行是指多个任务同时执行,需要具备多个执行单元(例如多个 CPU 核心)才能实现真正的并行执行。
2、并发执行协程的实现
- 在协程编程中,通过事件循环(Event Loop)来实现并发执行协程。
- 事件循环负责调度和执行协程对象,根据协程的状态和事件的发生情况,决定哪个协程继续执行、哪个协程挂起等。
- 事件循环利用异步操作和挂起点的机制,使得协程能够在等待异步操作完成时暂停执行,并在异步操作完成后恢复执行。
3、并发执行的优势
- 并发执行协程可以将多个任务交替执行,避免了阻塞等待的情况,提高了程序的性能和响应能力。
- 通过合理的任务调度,可以在等待某个协程的异步操作时,切换到执行其他协程,从而充分利用 CPU 资源。
4、并发执行的实现方式
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使用 asyncio.gather() 函数:asyncio.gather() 函数可以接收多个协程对象作为参数,并将它们并发执行。它返回一个协程对象,可以通过 await 等待所有协程执行完成。
pythonimport asyncio async def coroutine1(): # 协程1逻辑 async def coroutine2(): # 协程2逻辑 async def main(): await asyncio.gather(coroutine1(), coroutine2()) # 并发执行协程1和协程2 asyncio.run(main())
-
使用 asyncio.wait() 函数:asyncio.wait() 函数可以接收一个协程对象的集合,并返回一个元组,包含已完成和未完成的协程集合。可以通过 await 等待所有协程执行完成。
pythonimport asyncio async def coroutine1(): # 协程1逻辑 async def coroutine2(): # 协程2逻辑 async def main(): coroutines = [coroutine1(), coroutine2()] done, pending = await asyncio.wait(coroutines) # 并发执行协程集合 asyncio.run(main())