Python3 asyncio — 异步 I/O，事件循环和并发工具

在 Python 编程中，asyncio 是用于编写并发代码的标准库。它使得 Python 程序能够高效地处理 I/O 密集型任务，如网络请求、文件读取等，特别是在需要同时处理大量并发任务时。asyncio 的核心思想是异步 I/O，基于事件循环机制，让多个任务在同一个线程中并发执行，而不需要多线程或多进程的复杂处理。

本文将详细介绍 Python3 中的 asyncio 模块，包括如何使用事件循环、异步 I/O 任务和并发工具，以及通过代码示例帮助你掌握其核心概念和应用场景。

一、什么是 asyncio？

asyncio 是 Python 3.3 引入的标准库，用于支持异步编程。它提供了一个事件循环机制，可以在同一个线程中调度和执行多个 I/O 密集型任务。asyncio 使得 Python 能够以非阻塞的方式运行多个任务，从而提高了处理并发任务的效率。

1.1 主要概念

• 事件循环（Event Loop）：是 asyncio 的核心，负责调度任务和执行异步操作。它会不断地检查哪些任务已经完成，哪些任务需要等待，并在适当的时机运行它们。
• 协程（Coroutines）：是 Python 中定义的异步函数，它通过 async 关键字声明，await 关键字用于暂停协程的执行，等待某个异步操作完成。
• 任务（Tasks）：协程的封装，可以将多个协程调度并行执行。
• Future：表示将来某个时刻完成的异步操作的结果。Future 是一个特殊的对象，它用来表示一个尚未完成的操作的结果。

二、事件循环（Event Loop）

事件循环是 asyncio 的基础，控制着异步操作的执行流程。在 asyncio 中，程序通过事件循环来执行多个协程。通常情况下，你不需要手动创建事件循环，asyncio.run() 函数会自动为你创建并运行事件循环。

2.1 使用 asyncio.run() 启动事件循环

import asyncio

async def say_hello():
    print("Hello, world!")

# 启动事件循环
asyncio.run(say_hello())

解释：

• 使用 async def 定义一个异步协程 say_hello()。
• asyncio.run() 启动事件循环，执行 say_hello() 协程。

2.2 事件循环中的异步任务

在事件循环中，多个异步任务可以并发执行。asyncio.create_task() 用于将协程包装成任务，并将其调度到事件循环中执行。

import asyncio

async def task1():
    print("Task 1 started")
    await asyncio.sleep(2)
    print("Task 1 finished")

async def task2():
    print("Task 2 started")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Task 2 finished")

async def main():
    # 创建并启动任务
    task1_obj = asyncio.create_task(task1())
    task2_obj = asyncio.create_task(task2())
    
    # 等待任务完成
    await task1_obj
    await task2_obj

# 启动事件循环
asyncio.run(main())

解释：

• asyncio.create_task() 将 task1() 和 task2() 协程创建为任务，并交给事件循环。
• await 等待任务完成，确保事件循环在所有任务完成后才结束。

输出：

Task 1 started
Task 2 started
Task 2 finished
Task 1 finished

从输出可以看出，两个任务并发执行，task2() 完成后 task1() 继续执行。

三、异步 I/O 操作

异步 I/O 操作允许我们在等待 I/O 操作完成时不阻塞整个程序。asyncio 提供了异步版本的 I/O 操作，例如 asyncio.sleep()、asyncio.gather() 等。

3.1 asyncio.sleep()：模拟 I/O 操作

asyncio.sleep() 是一个模拟延时的异步操作。它不会阻塞事件循环，在等待过程中可以执行其他任务。

import asyncio

async def async_task(name, seconds):
    print(f"Task {name} started")
    await asyncio.sleep(seconds)
    print(f"Task {name} finished after {seconds} seconds")

async def main():
    # 启动多个异步任务
    await asyncio.gather(
        async_task("A", 2),
        async_task("B", 1),
        async_task("C", 3)
    )

# 启动事件循环
asyncio.run(main())

解释：

• asyncio.gather() 用来并发执行多个异步任务，并等待所有任务完成。
• asyncio.sleep() 使当前协程暂停一段时间，模拟 I/O 操作。

输出：

Task A started
Task B started
Task C started
Task B finished after 1 seconds
Task A finished after 2 seconds
Task C finished after 3 seconds

四、并发工具：asyncio.gather() 和 await

4.1 asyncio.gather()：并发执行多个协程

asyncio.gather() 可以并发执行多个协程，并等待它们的结果。它非常适用于需要并行执行多个任务的场景。

import asyncio

async def fetch_data(url):
    print(f"Fetching data from {url}")
    await asyncio.sleep(2)  # 模拟 I/O 操作
    return f"Data from {url}"

async def main():
    urls = ["https://example.com", "https://google.com", "https://github.com"]
    # 同时请求多个网址
    results = await asyncio.gather(*(fetch_data(url) for url in urls))
    print(results)

# 启动事件循环
asyncio.run(main())

解释：

• asyncio.gather() 用于并行执行多个协程，返回它们的结果。
• *(fetch_data(url) for url in urls) 使用生成器表达式创建多个协程。

输出：

Fetching data from https://example.com
Fetching data from https://google.com
Fetching data from https://github.com
Data from https://example.com
Data from https://google.com
Data from https://github.com

4.2 任务的结果处理

asyncio.gather() 会返回所有任务的结果，可以直接对结果进行处理。

import asyncio

async def task(name, seconds):
    await asyncio.sleep(seconds)
    return f"Task {name} finished after {seconds} seconds"

async def main():
    tasks = [
        asyncio.create_task(task("A", 1)),
        asyncio.create_task(task("B", 2)),
        asyncio.create_task(task("C", 3))
    ]
    
    # 获取任务结果
    results = await asyncio.gather(*tasks)
    print(results)

# 启动事件循环
asyncio.run(main())

解释：

• asyncio.create_task() 创建任务并并发执行。
• asyncio.gather() 返回任务的执行结果。

输出：

['Task A finished after 1 seconds', 'Task B finished after 2 seconds', 'Task C finished after 3 seconds']

五、总结

asyncio 是 Python3 提供的一个强大工具，用于简化异步 I/O 操作和并发编程。通过事件循环和协程，asyncio 能够高效地执行多个任务而不阻塞程序的执行。主要功能包括：

• 异步 I/O 操作，避免阻塞。
• 使用 async 和 await 定义协程。
• 使用 asyncio.create_task() 调度任务。
• 使用 asyncio.gather() 并发执行多个协程。

理解并掌握 asyncio 的基本概念和用法，可以帮助你高效地处理 I/O 密集型任务，提升程序的并发能力。

希望这篇教程能帮助你更好地理解 Python 中的异步编程，并应用到实际项目中！