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python之异步编程
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一、异步编程概述
异步编程是一种并发编程的模式，其关注点是通过调度不同任务之间的执行和等待时间，通过减少处理器的闲置时间来达到减少整个程序的执行时间；异步编程跟同步编程模型最大的不同就是其任务的切换，当遇到一个需要等待长时间执行的任务的时候，我们可以切换到其他的任务执行；
与多线程和多进程编程模型相比，异步编程只是在同一个线程之内的的任务调度，无法充分利用多核CPU的优势，所以特别适合IO阻塞性任务；
python版本 3.9.5
二、python的异步框架模型
python提供了asyncio模块来支持异步编程，其中涉及到coroutines、event loops、futures三个重要概念；
event loops主要负责跟踪和调度所有异步任务，编排具体的某个时间点执行的任务；
coroutines是对具体执行任务的封装，是一个可以在执行中暂停并切换到event loops执行流程的特殊类型的函数；其一般还需要创建task才能被event loops调度；
futures负责承载coroutines的执行结果，其随着任务在event loops中的初始化而创建，并随着任务的执行来记录任务的执行状态；
异步编程框架的整个执行过程涉及三者的紧密协作；
首先event loops启动之后，会从任务队列获取第一个要执行的coroutine，并随之创建对应task和future；
然后随着task的执行，当遇到coroutine内部需要切换任务的地方，task的执行就会暂停并释放执行线程给event loop，event loop接着会获取下一个待执行的coroutine，并进行相关的初始化之后，执行这个task；
随着event loop执行完队列中的最后一个coroutine才会切换到第一个coroutine；
随着task的执行结束，event loops会将task清除出队列，对应的执行结果会同步到future中，这个过程会持续到所有的task执行结束；
三、顺序执行多个可重叠的任务
每个任务执行中间会暂停给定的时间，循序执行的时间就是每个任务执行的时间加和；
import time
def count_down(name, delay):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
time.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-' * 40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -= 1
start = time.perf_counter()
count_down('A', 1)
count_down('B', 0.8)
count_down('C', 0.5)
print('-' * 40)
print('Done')
# ----------------------------------------
# 1.0010 A = 3
# ----------------------------------------
# 2.0019 A = 2
# ----------------------------------------
# 3.0030 A = 1
# ----------------------------------------
# 3.8040 B = 3
# ----------------------------------------
# 4.6050 B = 2
# ----------------------------------------
# 5.4059 B = 1
# ----------------------------------------
# 5.9065 C = 3
# ----------------------------------------
# 6.4072 C = 2
# ----------------------------------------
# 6.9078 C = 1
# ----------------------------------------
# Done
四、异步化同步代码
python在语法上提供了async、await两个关键字来简化将同步代码修改为异步；
async使用在函数的def关键字前边，标记这是一个coroutine函数；
await用在conroutine里边，用于标记需要暂停释放执行流程给event loops；
await 后边的表达式需要返回waitable的对象，例如conroutine、task、future等；
asyncio模块主要提供了操作event loop的方式；
我们可以通过async将count_down标记为coroutine，然后使用await和asyncio.sleep来实现异步的暂停，从而将控制权交给event loop；
async def count_down(name, delay, start):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
await asyncio.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-' * 40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -= 1
我们定义一个异步的main方法，主要完成task的创建和等待任务执行结束；
async def main():
start = time.perf_counter()
tasks = [asyncio.create_task(count_down(name,delay,start)) for name, delay in [('A', 1),('B', 0.8),('C', 0.5)]]
await asyncio.wait(tasks)
print('-' * 40)
print('Done')
执行我们可以看到时间已经变为了执行时间最长的任务的时间了；
asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5010 C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8016 B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0011 A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0013 C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5021 C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6026 B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0025 A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4042 B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0038 A = 1
# ----------------------------------------
# Done
五、使用多线程克服具体任务的异步限制
异步编程要求具体的任务必须是coroutine，也就是要求方法是异步的，否则只有任务执行完了，才能将控制权释放给event loop；
python中的concurent.futures提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor，可以直接在异步编程中使用，从而可以在单独的线程或者进程至今任务；
import time
import asyncio
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def count_down(name, delay, start):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
time.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-'*40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -=1
async def main():
start = time.perf_counter()
loop = asyncio.get_running_loop()
executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=3)
fs = [
loop.run_in_executor(executor, count_down, *args) for args in [('A', 1, start), ('B', 0.8, start), ('C', 0.5, start)]
]
await asyncio.wait(fs)
print('-'*40)
print('Done.')
asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5087 C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8196 B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0073 A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0234 C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5350 C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6303 B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0193 A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4406 B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0210 A = 1
# ----------------------------------------
# Done.
