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Python开发【模块】：asyncio

2018-11-05 08:24:38来源：博客园 阅读 ()

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异步asyncio

asyncio是一个使用async / await语法编写并发代码的库。

asyncio用作多个Python异步框架的基础，这些框架提供高性能的网络和Web服务器，数据库连接库，分布式任务队列等。

asyncio通常非常适合IO绑定和高级 结构化网络代码。

 

asyncio提供了一组高级 API：

  • 同时运行Python协同程序并完全控制它们的执行;
  • 执行网络IO和IPC ;
  • 控制子过程 ;
  • 通过队列分配任务;
  • 同步并发代码;

此外，还有一些用于库和框架开发人员的低级 API ：

  • 创建和管理事件循环，提供异步API networking，运行subprocesses，处理等;OS signals
  • 使用传输实现有效的协议 ;
  • 使用async / await语法桥接基于回调的库和代码。

 

Conroutines

使用async / await语法声明的协同程序是编写asyncio应用程序的首选方法。例如，以下代码片段（需要Python 3.7+）打印“hello”，等待1秒，然后打印“world”：

import asyncio

async def main():
     print('hello')
     await asyncio.sleep(1)
     print('world')

asyncio.run(main())

# hello
# world

上面代码等同于下面（不推荐使用基于生成器的协同程序的支持，并计划在Python 3.10中删除。）

import asyncio

@asyncio.coroutine
def main():
     print('hello')
     yield  from asyncio.sleep(1)
     print('world')

asyncio.run(main())

asyncio实际等同于下面的工作（参数为An asyncio.Future, a coroutine or an awaitable is required）

import asyncio

@asyncio.coroutine
def main():
     print('hello')
     yield  from asyncio.sleep(1)
     print('world')

# asyncio.run(main())
loop = asyncio.events.new_event_loop()
asyncio.events.set_event_loop(loop)
loop.run_until_complete(main())

# hello
# world

 1     This function runs the passed coroutine, taking care of
 2     managing the asyncio event loop and finalizing asynchronous
 3     generators.
 4 
 5     This function cannot be called when another asyncio event loop is
 6     running in the same thread.
 7 
 8     If debug is True, the event loop will be run in debug mode.
 9 
10     This function always creates a new event loop and closes it at the end.
11     It should be used as a main entry point for asyncio programs, and should
12     ideally only be called once.
asyncio.run功能介绍

实际运行协程asyncio提供了三种主要机制：

1、The asyncio.run()函数来运行顶层入口点“main()”函数（见上面的例子）

2、Awaiting on a coroutine 以下代码片段将在等待1秒后打印“hello”，然后在等待另外 2秒后打印“world” ：

import asyncio
import time

async def say_after(delay, what):
    await asyncio.sleep(delay)
    print(what)

async def main():
    print(f"started at {time.strftime('%X')}")

    await say_after(1, 'hello')
    await say_after(2, 'world')

    print(f"finished at {time.strftime('%X')}")

asyncio.run(main())

# started at 11:54:48
# hello
# world
# finished at 11:54:51

3、asyncio.create_task()与asyncio同时运行协同程序的功能Tasks；让我们修改上面的例子并同时运行两个say_after协同程序 ：

import asyncio
import time

async def say_after(delay, what):
    await asyncio.sleep(delay)
    print(f"{what} at {time.strftime('%X')}")

async def main():
    task1 = asyncio.create_task(
        say_after(1, 'hello'))
    task2 = asyncio.create_task(
        say_after(2, 'world'))
    print(f"started at {time.strftime('%X')}")
    # Wait until both tasks are completed (should take
    # around 2 seconds.)

    await task1
    await task2
    print(f"finished at {time.strftime('%X')}")

asyncio.run(main())

# started at 14:27:22
# hello at 14:27:23
# world at 14:27:24
# finished at 14:27:24

 稍微改变一下形式，可以理解的更多

import asyncio
import time

async def say_after(delay, what):
    await asyncio.sleep(delay)
    print(f"{what} at {time.strftime('%X')}")

async def main():
    task1 = asyncio.create_task(
        say_after(1, 'hello'))
    task2 = asyncio.create_task(
        say_after(2, 'world'))
    print(f"started at {time.strftime('%X')}")
    # Wait until both tasks are completed (should take
    # around 2 seconds.)
    await asyncio.sleep(3)

    # await task1
    # await task2
    print(f"finished at {time.strftime('%X')}")

asyncio.run(main())

# started at 14:29:41
# hello at 14:29:42
# world at 14:29:43
# finished at 14:29:44

　　

 Awaitables

我们说如果一个对象可以在表达式中使用，那么它就是一个等待对象await。许多asyncio API旨在接受等待。

有三种主要类型的等待对象：coroutines, Tasks, and Futures.

Coroutines

Python coroutines are awaitables and therefore can be awaited from other coroutines:

import asyncio

async def nested():
    return 42

async def main():
    # Nothing happens if we just call "nested()".
    # A coroutine object is created but not awaited,
    # so it *won't run at all*.
    nested()

    # Let's do it differently now and await it:
    print(await nested())  # will print "42".

asyncio.run(main())

# 42

重要

在本文档中，术语“coroutine”可用于两个密切相关的概念：

  • 一个协程功能：一个功能;async def
  • 一个协程对象：通过调用协同程序函数返回的对象 。

Tasks

任务用于调度协同程序并发。

当一个协程被包装到一个Task中时，会像asyncio.create_task()一样  conroutine自动安排很快运行：

import asyncio

async def nested():
    return 42

async def main():
    # Schedule nested() to run soon concurrently
    # with "main()".
    task = asyncio.create_task(nested())

    # "task" can now be used to cancel "nested()", or
    # can simply be awaited to wait until it is complete:
    await task

asyncio.run(main())

Futures

A Future是一个特殊的低级别等待对象，它表示异步操作的最终结果。

当等待 Future对象时，它意味着协程将等到Future在其他地方解析。

需要asyncio中的未来对象以允许基于回调的代码与async / await一起使用。

通常，不需要在应用程序级代码中创建Future对象。

可以等待有时通过库和一些asyncio API公开的未来对象：

async def main():
    await function_that_returns_a_future_object()

    # this is also valid:
    await asyncio.gather(
        function_that_returns_a_future_object(),
        some_python_coroutine()
    )

返回Future对象的低级函数的一个很好的例子是loop.run_in_executor()。

 

Asyncio方法

1、运行asyncio程序 

 asyncio.run（coro，*，debug = False ）

　　此函数运行传递的协同程序，负责管理asyncio事件循环并最终确定异步生成器。

　　当另一个asyncio事件循环在同一个线程中运行时，无法调用此函数。

　　如果是debugTrue，则事件循环将以调试模式运行。

　　此函数始终创建一个新的事件循环并在结束时将其关闭。它应该用作asyncio程序的主要入口点，理想情况下应该只调用一次。

　　版本3.7中的新功能：重要：此功能已临时添加到Python 3.7中的asyncio中。

 

2、创建任务 

asyncio.create_task(coro)

　　将coro coroutine包装成a Task 并安排执行。返回Task对象。

　　任务在返回的循环中执行，如果当前线程中没有运行循环get_running_loop()， RuntimeError则引发该任务。

　　Python 3.7中添加了此功能。在Python 3.7之前，asyncio.ensure_future()可以使用低级函数：

async def coro():
    ...

# In Python 3.7+
task = asyncio.create_task(coro())
...

# This works in all Python versions but is less readable
task = asyncio.ensure_future(coro())

　

3、sleeping 

coroutine asyncio.sleep(delay, result=None, *, loop=None)

　　阻止 delay seconds.。

　　如果提供了result ，则在协程完成时将其返回给调用者。

　　leep() 始终挂起当前任务，允许其他任务运行。

　　该loop 参数已被弃用，并定于去除在Python 3.10。

　　协程示例每秒显示当前日期5秒：

import asyncio
import datetime

async def display_date():
    loop = asyncio.get_running_loop()
    end_time = loop.time() + 5.0
    while True:
        print(datetime.datetime.now())
        if (loop.time() + 1.0) >= end_time:
            break
        await asyncio.sleep(1)

asyncio.run(display_date())

　　

4、同时运行任务

awaitable asyncio.gather(*aws, loop=None, return_exceptions=False)

　　同时在aws 序列中运行 awaitable objects

　　如果在aws中任何awaitable 是协程，它将自动安排为任务

　　如果所有等待成功完成，则结果是返回值的汇总列表。结果值的顺序对应于aws中的等待顺序

　　如果return_exceptions是False（默认），则第一个引发的异常会立即传播到等待的任务gather()。

　　如果return_exceptions是True，异常的处理方式一样成功的结果，并在结果列表汇总。

　　如果gather()被取消，所有提交的awaitables（尚未完成）也被取消。

　　如果aws序列中的Task or Future被取消，则将其视为已引发CancelledError- 在这种情况下不会取消gather() 呼叫。这是为了防止取消一个提交的Tasks/Futures 以导致其他任务/期货被取消。

import asyncio

async def factorial(name, number):
    f = 1
    for i in range(2, number + 1):
        print(f"Task {name}: Compute factorial({i})...")
        await asyncio.sleep(1)
        f *= i
    print(f"Task {name}: factorial({number}) = {f}")

async def main():
    # Schedule three calls *concurrently*:
    await asyncio.gather(
        factorial("A", 2),
        factorial("B", 3),
        factorial("C", 4),
    )

asyncio.run(main())

# Expected output:
#
#     Task A: Compute factorial(2)...
#     Task B: Compute factorial(2)...
#     Task C: Compute factorial(2)...
#     Task A: factorial(2) = 2
#     Task B: Compute factorial(3)...
#     Task C: Compute factorial(3)...
#     Task B: factorial(3) = 6
#     Task C: Compute factorial(4)...
#     Task C: factorial(4) = 24

 获取返回结果,异常情况

import asyncio

async def factorial(name, number):

    print(name)
    if name == 'A':
        return name
    elif name == 'B':
        raise SyntaxError(name)
    await asyncio.sleep(number)


async def main():
    # Schedule three calls *concurrently*:
    result = await asyncio.gather(
        factorial("A", 2),
        factorial("B", 3),
        factorial("C", 4),
        return_exceptions=True
    )
    print(result)

asyncio.run(main())

# A
# B
# C
# ['A', SyntaxError('B'), None]

版本3.7中已更改：如果取消了聚集本身，则无论return_exceptions如何，都会传播取消。

 

5、Shielding From Cancellation

awaitable asyncio.shield(aw, *, loop=None)

　　Protect an awaitable object from being cancelled.

　　If aw is a coroutine it is automatically scheduled as a Task.

　　The statement:

res = await shield(something())

　　等同于

res = await something()

　　除非取消包含它的协程，否则something()不会取消运行的任务。从观点来看something()，取消没有发生。虽然它的来电者仍然被取消，所以“等待”表达仍然提出了一个CancelledError。

　　如果something()通过其他方式取消（即从内部取消）也会取消shield()。

　　如果希望完全忽略取消（不推荐），则该shield()函数应与try / except子句结合使用，如下所示：

try:
    res = await shield(something())
except CancelledError:
    res = None

 

6、超时

coroutine asyncio.wait_for(aw, timeout, *, loop=None)

　　Wait for the aw awaitable to complete with a timeout.

　　If aw is a coroutine it is automatically scheduled as a Task.

　　timeout可以是None或等待的float或int秒数。如果超时是None，将等到完成

　　如果发生超时，它将取消任务并加注 asyncio.TimeoutError。

　　要避免该任务cancellation，请将其包装shield()。

　　该函数将一直等到将来实际取消，因此总等待时间可能会超过超时。

　　如果等待被取消，则未来的aw也会被取消。

　　该循环参数已被弃用，并定于去除在Python 3.10。

async def eternity():
    # Sleep for one hour
    await asyncio.sleep(3600)
    print('yay!')

async def main():
    # Wait for at most 1 second
    try:
        await asyncio.wait_for(eternity(), timeout=1.0)
    except asyncio.TimeoutError:
        print('timeout!')

asyncio.run(main())

# Expected output:
#
#     timeout!

改变在3.7版本：当AW被取消，由于超时，wait_for等待AW被取消。以前，它asyncio.TimeoutError立即提出 。

 

7、超时原语

coroutine asyncio.wait(aws, *, loop=None, timeout=None, return_when=ALL_COMPLETED)

　　同时运行aws中的等待对象 并阻塞，直到return_when指定的条件为止。

　　如果在aws中任何等待的是协程，它将自动安排为任务。wait()直接传递协同程序对象 已被弃用，因为它会导致 混乱的行为。

　　返回两组任务/期货：。(done, pending)

　　用法：

done, pending = await asyncio.wait(aws)

　　该循环参数已被弃用，并定于去除在Python 3.10。

　　timeout（浮点数或整数），如果指定，可用于控制返回前等待的最大秒数。

　　请注意，此功能不会引发asyncio.TimeoutError。超时发生时未完成的期货或任务仅在第二组中返回。

　　return_when表示此函数何时返回。它必须是以下常量之一：

不变描述
FIRST_COMPLETED 当任何未来完成或取消时，该函数将返回。
FIRST_EXCEPTION 当任何未来通过引发异常完成时，函数将返回。如果没有未来引发异常则等同于 ALL_COMPLETED。
ALL_COMPLETED 所有期货结束或取消时，该功能将返回。

　　不像wait_for()，wait()当发生超时不会取消期货。 　　

　　注意 wait()将协同程序自动调度为任务，然后在 集合中返回隐式创建的任务对象。因此，以下代码将无法按预期方式工作：(done, pending)

async def foo():
    return 42

coro = foo()
done, pending = await asyncio.wait({coro})

if coro in done:
    # This branch will never be run!

　　以下是如何修复上述代码段：

async def foo():
    return 42

task = asyncio.create_task(foo())
done, pending = await asyncio.wait({task})

if task in done:
    # Everything will work as expected now.

　　wait()不推荐直接传递协程对象。

 

8、 Scheduling From Other Threads

asyncio.run_coroutine_threadsafe(coro, loop)

　　将协程提交给给定的事件循环。线程安全的。

　　返回a concurrent.futures.Future以等待另一个OS线程的结果。

　　此函数旨在从与运行事件循环的OS线程不同的OS线程调用。例：

# Create a coroutine
coro = asyncio.sleep(1, result=3)

# Submit the coroutine to a given loop
future = asyncio.run_coroutine_threadsafe(coro, loop)

# Wait for the result with an optional timeout argument
assert future.result(timeout) == 3

　　如果在协程中引发异常，则会通知返回的Future。它还可以用于取消事件循环中的任务：

try:
    result = future.result(timeout)
except asyncio.TimeoutError:
    print('The coroutine took too long, cancelling the task...')
    future.cancel()
except Exception as exc:
    print(f'The coroutine raised an exception: {exc!r}')
else:
    print(f'The coroutine returned: {result!r}')

　　请参阅 文档的并发和多线程部分。

　　与其他asyncio函数不同，此函数需要 显式传递循环参数。

　　3.5.1版中的新功能。

 

9、自省

asyncio.current_task（loop = None ）

　　返回当前正在运行的Task实例，或者None没有正在运行的任务。

　　如果loop是None get_running_loop()用来获取loop。

　　版本3.7中的新功能。

asyncio.all_tasks（loop = None ）

　　返回Task循环运行的一组尚未完成的对象。

　　如果loop是None，get_running_loop()则用于获取当前循环。

　　版本3.7中的新功能。

 

任务对象

class asyncio.Task（coro，*，loop = None ）

A Future-like object that runs a Python coroutine. Not thread-safe.

任务用于在事件循环中运行协同程序。如果一个协程在Future上等待，则Task暂停执行协程并等待Future的完成。当Future 完成后，包装协程的执行将恢复。

事件循环使用协作调度：事件循环一次运行一个任务。当一个Task等待完成Future时，事件循环运行其他任务，回调或执行IO操作。

使用高级asyncio.create_task()功能创建任务，或低级别loop.create_task()或 ensure_future()功能。不鼓励手动实例化任务。

要取消正在运行的任务，请使用该cancel()方法。调用它将导致Task将CancelledError异常抛出到包装的协同程序中。如果在取消期间协程正在等待Future对象，则Future对象将被取消。

cancelled()可用于检查任务是否被取消。True如果包装的协程没有抑制CancelledError异常并且实际上被取消，则该方法返回。

asyncio.Task继承自Future其所有API，除了Future.set_result()和 Future.set_exception()。

任务支持该contextvars模块。创建任务时，它会复制当前上下文，然后在复制的上下文中运行其协程。

版本3.7中已更改：添加了对contextvars模块的支持。

cancel（）

　　请求取消任务。

　　这会安排CancelledError在事件循环的下一个循环中将异常抛入包装的协程。

　　协程则有机会通过抑制异常与清理，甚至拒绝请求try... ... ... ... ... ... 块。因此，不同于，不保证任务将被取消，尽管完全抑制取消并不常见，并且积极地不鼓励。exceptCancelledErrorfinallyFuture.cancel()Task.cancel()

　　以下示例说明了协同程序如何拦截取消请求：

async def cancel_me():
    print('cancel_me(): before sleep')

    try:
        # Wait for 1 hour
        await asyncio.sleep(3600)
    except asyncio.CancelledError:
        print('cancel_me(): cancel sleep')
        raise
    finally:
        print('cancel_me(): after sleep')

async def main():
    # Create a "cancel_me" Task
    task = asyncio.create_task(cancel_me())

    # Wait for 1 second
    await asyncio.sleep(1)

    task.cancel()
    try:
        await task
    except asyncio.CancelledError:
        print("main(): cancel_me is cancelled now")

asyncio.run(main())

# Expected output:
#
#     cancel_me(): before sleep
#     cancel_me(): cancel sleep
#     cancel_me(): after sleep
#     main(): cancel_me is cancelled now
cancelled（）
　　True如果任务被取消，则返回。
　　请求取消时取消任务， cancel()并且包装的协同程序将CancelledError异常传播 到其中。
done（）
　　True如果任务完成则返回。
　　一个任务完成时，包裹协程要么返回的值，引发异常，或者任务被取消。
result（）
　　返回任务的结果。
　　如果任务完成，则返回包装协程的结果（或者如果协程引发异常，则重新引发该异常。）
　　如果已取消任务，则此方法会引发CancelledError异常。
　　如果Task的结果尚不可用，则此方法会引发InvalidStateError异常。
exception（）
　　返回Task的例外。
　　如果包装的协同程序引发异常，则返回异常。如果包装的协程正常返回，则此方法返回None。
　　如果已取消任务，则此方法会引发 CancelledError异常。
　　如果尚未完成任务，则此方法会引发 InvalidStateError异常。
add_done_callback（回调，*，上下文=无）
　　添加要在任务完成时运行的回调。
　　此方法仅应在基于低级回调的代码中使用。　
　　有关Future.add_done_callback() 详细信息，请参阅文档。
remove_done_callback（回调）
　　从回调列表中删除回调。
　　此方法仅应在基于低级回调的代码中使用。
　　有关Future.remove_done_callback() 详细信息，请参阅文档。
get_stack（*，limit = None ）
　　返回此任务的堆栈帧列表。
　　如果未完成包装的协同程序，则会返回挂起它的堆栈。如果协程已成功完成或被取消，则返回一个空列表。如果协程被异常终止，则返回回溯帧列表。
　　帧始终从最旧到最新排序。
　　对于挂起的协程，只返回一个堆栈帧。
　　可选的limit参数设置要返回的最大帧数; 默认情况下，返回所有可用的帧。返回列表的排序取决于是返回堆栈还是返回：返回堆栈的最新帧，但返回最旧的回溯帧。（这与回溯模块的行为相匹配。）
print_stack（*，limit = None，file = None ）
　　打印此任务的堆栈或回溯。
　　这会为检索到的帧生成类似于回溯模块的输出get_stack()。
　　该极限参数传递给get_stack()直接。
　　的文件参数是其中输出被写入的I / O流; 默认输出写入sys.stderr。
classmethod all_tasks（loop = None ）
　　返回一组事件循环的所有任务。
　　默认情况下，返回当前事件循环的所有任务。如果是loopNone，则该get_event_loop()函数用于获取当前循环。
　　不推荐使用此方法，将在Python 3.9中删除。请改用此asyncio.all_tasks()功能。
classmethod current_task（loop = None ）
　　返回当前正在运行的任务或None。
　　如果是loopNone，则该get_event_loop()函数用于获取当前循环。
　　不推荐使用此方法，将在Python 3.9中删除。请改用此asyncio.current_task()功能。

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