pythonasyncio和await,python asyncio原理

本文目錄一覽：

• 1、進程，線程，協程，同步，並發，異步
• 2、python里怎麼實現多個協程一起執行，只要完成
• 3、在Python中使用Asyncio系統（3-4）Task 和 Future

進程，線程，協程，同步，並發，異步

1，我們公司一開始帶飯的人不是很多，公司只有一個茶水間，於是行政的小姐姐很體貼的買了一個微波爐放到茶水間，然後大家中午可以在茶水間排隊去熱飯。很開心。

2，後來公司發展越來越好，不斷有新鮮的血液注入到公司，充滿了活力，帶飯的人越來越多，行政小姐姐發現一個微波爐根本不夠用，於是又賣了兩個，大家中午繼續去茶水間排隊去熱飯，速度比以前快了許多，大大緩解了排隊過長的壓力。

3，某一天公司上市了，發展一片大好，人員也越來越多，於是公司換了新的辦公地點，將原來的一個茶水間擴充到了3個，微波爐每個茶水間放5個，同時雇了一個阿姨，專門輔助員工的一些生活方面的事，讓員工可以安安心心工作，於是變成了這樣，到中午的時候，員工選擇3個茶水間一個，將飯盒放在茶水間里，阿姨負責將飯熱好放到指定位置，一個阿姨就可以同時操作多個微波爐，一個熱好後取出放入下一個，大大提高了熱飯效率，熱好的飯可以放到指定位置一會自己來取即可，也可以送到員工的位置，大家中午再也不用排隊熱飯了，

多個茶水間相當於多進程（放在python也可以理解為多核），大大提高了效率，但同時開銷也很多，增加一個茶水間的代價遠大於增加一個微波爐。

進程，直觀點說，保存在硬盤上的程序運行以後，會在內存空間里形成一個獨立的內存體，這個內存體 有自己獨立的地址空間，有自己的堆 ，上級掛靠單位是操作系統。 操作系統會以進程為單位，分配系統資源（CPU時間片、內存等資源），進程是資源分配的最小單位 。

大家排隊去茶水間熱飯，先到的先熱，同一茶水間同時只有一個人在熱飯。即使有多個微波爐也是順序的開始工作，三個微波爐相當於三個線程，同時可以熱三份飯，但熱飯的人是順序進入茶水間的。

線程，有時被稱為輕量級進程(Lightweight Process，LWP），是操作系統調度（CPU調度）執行的最小單位 。

阿姨可以同時操作多個微波爐，一個熱好後取出放入下一個，大大提高了熱飯效率，哪個微波爐熱好就先用哪個，所以協程是無序的，大大提高了工作效率。

一個阿姨在多個茶水間和微波爐工作 充分利用多核

協程，是一種比線程更加輕量級的存在，協程不是被操作系統內核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用戶態執行）。這樣帶來的好處就是性能得到了很大的提升，不會像線程切換那樣消耗資源。

協程在子程序內部是可中斷的，然後轉而執行別的子程序，在適當的時候再返回來接着執行 。

阿姨熱好飯之後放到指定位置，每個人可以根據自己的時間過來取，如果阿姨空閑了也可以送到員工工位。

公司初期人員較少，所有員工在唯一的一個茶水間排隊使用同一個微波爐，順序使用微波爐。

公司中期增加了微波爐的數量，所有員工在茶水間排隊使用多個微波爐，多個微波爐同時工作。

公司發展後期增加了茶水間和微波爐的數量，只有一個阿姨使用多個茶水間的微波爐，只有在微波爐可以使用的條件下才去使用，其他時間可以干其他事情。

【區別】：

調度 ： 線程作為調度和分配的基本單位，進程作為擁有資源的基本單位 ；

並發性 ： 不僅進程之間可以並發執行，同一個進程的多個線程之間也可並發執行 ；

擁有資源 ： 進程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統資源 ，但可以訪問隸屬於進程的資源。進程所維護的是程序所包含的資源（靜態資源）， 如： 地址空間，打開的文件句柄集，文件系統狀態，信號處理handler等 ；線程所維護的運行相關的資源（動態資源），如： 運行棧，調度相關的控制信息，待處理的信號集等 ；

系統開銷 ：在創建或撤消進程時，由於系統都要為之分配和回收資源，導致系統的開銷明顯大於創建或撤消線程時的開銷。但是進程有獨立的地址空間，一個進程崩潰後，在保護模式下不會對其它進程產生影響，而線程只是一個進程中的不同執行路徑。線程有自己的堆棧和局部變量，但線程之間沒有單獨的地址空間，一個進程死掉就等於所有的線程死掉，所以 多進程的程序要比多線程的程序健壯，但在進程切換時，耗費資源較大，效率要差一些 。

【聯繫】：

一個線程只能屬於一個進程，而一個進程可以有多個線程，但至少有一個線程 ；

資源分配給進程，同一進程的所有線程共享該進程的所有資源；

處理機分給線程，即 真正在處理機上運行的是線程 ；

線程在執行過程中，需要協作同步。不同進程的線程間要利用消息通信的辦法實現同步。

協程的特點在於是一個線程執行，那和多線程比，協程有何 優勢 ？

極高的執行效率 ：因為 子程序切換不是線程切換，而是由程序自身控制 ，因此， 沒有線程切換的開銷 ，和多線程比，線程數量越多，協程的性能優勢就越明顯；

不需要多線程的鎖機制 ：因為只有一個線程，也不存在同時寫變量衝突， 在協程中控制共享資源不加鎖 ，只需要判斷狀態就好了，所以執行效率比多線程高很多。

（1）進程可使用multiprocessing包實現

與threading.Thread類似，它可以利用multiprocessing.Process對象來創建一個進程。

該進程可以運行在Python程序內部編寫的函數。

該Process對象與Thread對象的用法相同，也有start(), run(), join()的方法。

（2）線程可使用threading包或thread包

（3）協程通過async await 實現，async聲明一個函數為異步函數，await可將程序掛起，去執行其他的異步程序。協程 有兩種，一種 無棧協程，python 中 以 asyncio 為代表， 一種有棧協程，python 中 以 gevent 為代表。

（1）以多進程形式，允許多個任務同時運行；

（2）以多線程形式，允許單個任務分成不同的部分運行；

（3）提供協調機制，一方面防止進程之間和線程之間產生衝突，另一方面允許進程之間和線程之間共享資源。

python里怎麼實現多個協程一起執行，只要完成

import asyncio

async def phase(i):

    print(‘in phase {}’.format(i))

    await asyncio.sleep(0.5 – (0.1 * i))

    print(‘done with phase {}’.format(i))

    return ‘phase {} result’.format(i)

async def main(num_phases):

    print(‘starting main’)

    phases = [

        phase(i)

        for i in range(num_phases)

    ]

    print(‘waiting for phases to complete’)

    results = []

    for next_to_complete in asyncio.as_completed(phases):

        answer = await next_to_complete

        print(‘received answer {!r}’.format(answer))

        results.append(answer)

    print(‘results: {!r}’.format(results))

    return results

event_loop = asyncio.get_event_loop()

try:

    event_loop.run_until_complete(main(3))

finally:

    event_loop.close()

在Python中使用Asyncio系統（3-4）Task 和 Future

Task 和 Future

前面我們討論了協程，以及如何在循環中運行它們才有用。現在我想簡單談談Task和Future api。你將使用最多的是Task，因為你的大部分工作將涉及使用create_task()函數運行協程，就像在第22頁的「快速開始」中設置的那樣。Future類實際上是Task的超類，它提供了與循環交互操作的所有功能。

可以這樣簡單地理解:Future表示某個活動的未來完成狀態，並由循環管理。Task是完全相同的，但是具體的「activity」是一個協程——可能是你用async def函數加上create_task()創建的協程。

Future類表示與循環交互的某個東西的狀態。這個描述太模糊了，不太有用，所以你可以將Future實例視為一個切換器，一個完成狀態的切換器。當創建Future實例時，切換設置為「尚未完成」狀態，但稍後它將是「完成」狀態。事實上，Future實例有一個名為done()的方法，它允許你檢查狀態，如示例 3-15所示。

示例 3-15. 用done()方法檢查完成狀態

Future實例還可以執行以下操作：

• 設置一個result值（用.set_result(value)設置值並且使用 .result()獲取值）

• 使用.cancel()方法取消 (並且會用使用.cancelled()檢查是否取消)

• 增加一個Future完成時回調的函數

即使Task更常見，也不可能完全避免使用Future：例如，在執行器上運行函數將返回Future實例，而不是Task。讓我們快速看一下 示例 3-16 ，了解一下直接使用Future實例是什麼感覺。

示例 3-16. 與Future實例的交互

（L3）創建一個簡單的 main函數。我們運行這個函數，等上一會兒然後在Future f上設置一個結果。

（L5）設置一個結果。

（L8）手動創建一個Future實例。注意，這個實例(默認情況下)綁定到我們的循環，但它沒有也不會被附加到任何協程(這就是Tasks的作用)。

（L9）在做任何事情之前，確認future還沒有完成。

（L11）安排main()協程，傳遞future。請記住，main()協程所做的所有工作就是sleep，然後切換Future實例。(注意main()協程還不會開始運行：協程只在事件循環運行時才開始運行。)

(L13)在這裡我們在Future實例上而不是Task實例上使用run_until_complete()。這和你以前見過的不一樣。現在循環正在運行，main()協程將開始執行.

（L16）最終，當future的結果被設置時，它就完成了。完成後，可以訪問結果。

當然，你不太可能以這裡所示的方式直接使用Future；代碼示例僅用於教育目的。你與asynccio的大部分聯繫都是通過Task實例進行的。

你可能想知道如果在Task實例上調用set_result()會發生什麼。在Python 3.8之前可以這樣做，但現在不允許這麼做了。任務實例是協程對象的包裝器，它們的結果值只能在內部設置為底層協程函數的結果，如 示例 3-17所示那樣。

示例 3-17. 在task上調用set_result

（L13）唯一的區別是我們創建的是Task實例而不是Future實例。當然，Task API要求我們提供一個協程；這裡我們使用sleep()只是因為簡單方便。

（L7）正在傳入一個Task實例。它滿足函數的類型簽名(因為Task是Future的子類)，但從Python 3.8開始，我們不再允許在Task上調用set_result()：嘗試這樣做將引發RuntimeError。這個想法是，一個Task代表一個正在運行的協程，所以結果應該總是來自於task自身。

（L10, L24）但是，我們仍然可以cancel()一個任務，它將在底層協程中引發CancelledError。

Create_task? Ensure_Future? 下定決心吧！

在第22頁的「快速入門」中，我說過運行協程的方法是使用asyncio.create_task()。在引入該函數之前，有必要獲取一個循環實例並使用loop.create_task()完成相同的任務。事實上，這也可以通過一個不同的模塊級函數來實現:asyncio.ensure_future()。一些開發人員推薦create_task()，而其他人推薦ensure_future()。

在我為這本書做研究的過程中，我確信API方法asyncio.ensure_future()是引起對asyncio庫廣泛誤解的罪魁禍首。API的大部分內容都非常清晰，但在學習過程中還存在一些嚴重的障礙，這就是其中之一。當你遇到ensure_future()時，你的大腦會非常努力地將其集成到關於asyncio應該如何使用的心理模型中——但很可能會失敗!

在Python 3.6 asyncio 文檔中，這個現在已經臭名昭著的解釋突出了 ensure_future() 的問題：

asyncio.ensure_future(coro_or_future, *, _loop =None)

安排執行一個協程對象：把它包裝在future中。返回一個Task對象。如果參數是Future，則直接返回。

什麼!? 當我第一次讀到這篇文章時，我很困惑。下面希望是對ensure_future()的更清楚的描述:

這個函數很好地說明了針對終端用戶開發人員的asyncio API(高級API)和針對框架設計人員的asyncio API(低級API)之間的區別。讓我們在示例 3-18中自習看看它是如何工作的。

示例 3-18. 仔細看看ensure_future()在做什麼

（L3）一個簡單的什麼都不做的協程函數。我們只需要一些能組成協程的東西。

（L6）我們通過直接調用該函數來創建協程對象。你的代碼很少會這樣做，但我想在這裡明確地表示，我們正在向每個create_task()和ensure_future()傳遞一個協程對象。

（L7）獲取一個循環。

（L9）首先，我們使用loop.create_task()在循環中調度協程，並返回一個新的Task實例。

（L10）驗證類型。到目前為止，沒有什麼有趣的。

（L12）我們展示了asyncio.ensure_future()可以被用來執行與create_task()相同的動作：我們傳入了一個協程，並返回了一個Task實例(並且協程已經被安排在循環中運行)!如果傳入的是協程，那麼loop.create_task()和asyncio.ensure_future()之間沒有區別。

（L15）如果我們給ensure_future()傳遞一個Task實例會發生什麼呢？注意我們要傳遞的Task實例是已經在第4步通過loop.create_task()創建好的。

（L16）返回的Task實例與傳入的Task實例完全相同:它在被傳遞時沒有被改變。

直接傳遞Future實例的意義何在？為什麼用同一個函數做兩件不同的事情？答案是，ensure_future()的目的是讓框架作者向最終用戶開發者提供可以處理兩種參數的API。不相信我？這是ex-BDFL自己說的：

ensure_future()的要點是，如果你有一個可能是協程或Future(後者包括一個Task，因為它是Future的子類)的東西，並且你想能夠調用一個只在Future上定義的方法(可能唯一有用的例子是cancel())。當它已經是Future(或Task)時，它什麼也不做；當它是協程時，它將它包裝在Task中。

如果您知道您有一個協程，並且希望它被調度，那麼正確的API是create_task()。唯一應該調用ensure_future()的時候是當你提供一個API(像大多數asyncio自己的API)，它接受協程或Future，你需要對它做一些事情，需要你有一個Future。

—Guido van Rossum

總而言之，asyncio.sure_future()是一個為框架設計者準備的輔助函數。這一點最容易通過與一種更常見的函數進行類比來解釋，所以我們來做這個解釋。如果你有幾年的編程經驗，你可能已經見過類似於例3-19中的istify()函數的函數。示例 3-19中listify()的函數。

示例 3-19. 一個強制輸入列表的工具函數

這個函數試圖將參數轉換為一個列表，不管輸入的是什麼。api和框架中經常使用這類函數將輸入強制轉換為已知類型，這將簡化後續代碼——在本例中，您知道參數(來自listify()的輸出)將始終是一個列表。

如果我將listify()函數重命名為ensure_list()，那麼您應該開始看到與asyncio.ensure_future()的類似之處:它總是試圖將參數強制轉換為Future(或子類)類型。這是一個實用函數，它使框架開發人員(而不是像你我這樣的終端用戶開發人員)的工作變得更容易。

實際上，asyncio標準庫模塊本身使用ensure_future()正是出於這個原因。當你下次查看API時，你會發現函數參數被描述為「可等待對象」，很可能內部使用ensure_future()強制轉換參數。例如，asyncio.gather()函數就像下面的代碼一樣:

aws參數表示「可等待對象」，包括協程、task和future。在內部，gather()使用ensure_future()進行類型強制轉換：task和future保持不變，而把協程強制轉為task。

這裡的關鍵是，作為終端用戶應用程序開發人員，應該永遠不需要使用asyncio.ensure_future()。它更像是框架設計師的工具。如果你需要在事件循環上調度協程，只需直接使用asyncio.create_task()來完成。

在接下來的幾節中，我們將回到語言級別的特性，從異步上下文管理器開始。