Python 的异步 IO：Asyncio-猿码集

1. 什么是异步 IO

在了解Python的异步IO（asyncio）之前，我们先来了解一下什么是异步IO。异步IO（Asynchronous Input/Output，异步输入输出）是一种程序设计模式，它使一个应用程序能够同时处理多个输入/输出操作。在异步IO中，当一个事件被提交，程序会继续运行并处理下一个事件，而不是等待操作完成。这种方式可以提高程序的效率，因为程序在等待操作完成时可以去做其他的事情，而不是浪费时间等待操作完成。

Python的asyncio模块提供了一种异步IO解决方案，使得我们可以在Python中使用异步IO编写高效的网络应用程序。

2. Python的异步 IO模块Asyncio

2.1 为什么需要Asyncio

在IO密集的网络编程中，CPU时间往往是占优势的，而IO操作的时间往往是比较长的，如果IO操作完成前一直等待的话，会浪费CPU资源，而异步IO可以将这种等待时间变成可以去做其他任务，从而提高系统的吞吐量。

2.2 Asyncio模块的基本组成

在Python的asyncio模块中，主要包含以下几个组成部分：

Event Loop：事件循环负责I/O操作的调度和执行，它从注册的I/O文件对象中选择已经准备好的文件对象进行读写操作，并返回更新了状态的文件对象。

Coroutines：协程是异步编程的核心，它是与任务关联的函数，可以通过await关键字等待另一个协程完成。

Futures：Future对象是用来处理异步操作结果的对象，可以通过协程返回Future对象，在Future对象完成后，协程可以继续执行。

Transports：传输层是一个中间层，它负责将事件传递给事件循环，也负责将事件循环返回的结果传递给应用程序。

Protocols：协议是一组规则，它定义了如何在一个或多个网络节点之间通信。

2.3 Asyncio模块的基本用法

在使用Python的asyncio模块时，主要有两种方式来创建异步任务：使用async/await语法和使用协程对象。

2.4 使用async/await语法实现异步任务

Python3.5之后的版本，提供了async/await语法，可以更方便的编写异步程序。使用async/await语法，可以将协程对象看做一个异步函数，然后将它们放入事件循环中。


import asyncio
async def async_func():
    await asyncio.sleep(1)
    return 'hello world'
async def main():
    result = await async_func()
    print(result)
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(main())

上述代码中，我们首先定义了一个异步函数async_func，然后在main函数中调用该异步函数，并使用await等待结果。

2.5 使用协程对象实现异步任务

除了使用async/await关键字来创建异步任务之外，我们还可以使用协程对象来创建异步任务。


import asyncio
async def async_func():
    await asyncio.sleep(1)
    return 'hello world'
def callback(future):
    print('callback: ', future.result())
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task = asyncio.ensure_future(async_func())
    task.add_done_callback(callback)
    loop.run_forever()

在上面这个例子中，我们使用了asyncio.ensure_future方法来创建一个协程对象，然后使用add_done_callback方法添加回调函数来处理异步结果。

3. Asyncio模块中的常用组件

3.1 异步网络编程

Python的asyncio模块中，有一个名为asyncio.Protocol的协议，它提供了网络协议和数据编码解码的功能。

下面的代码演示了如何创建一个简单的Echo服务器：


import asyncio
class EchoServerProtocol(asyncio.Protocol):
    def connection_made(self, transport):
        self.transport = transport
    
    def data_received(self, data):
        self.transport.write(data)
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    coro = loop.create_server(EchoServerProtocol, '127.0.0.1', 8888)
    server = loop.run_until_complete(coro)
    try:
        loop.run_forever()
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    server.close()
    loop.run_until_complete(server.wait_closed())
    loop.close()

在上面的代码中，我们定义了EchoServerProtocol协议，并实现了connection_made和data_received方法。connection_made方法在客户端连接到服务器时被调用，而data_received方法在服务器接收到数据时被调用，然后向客户端返回数据。

3.2 异步文件IO

除了网络编程之外，Python的asyncio模块还提供了异步文件IO的功能。下面的代码演示了如何使用asyncio进行异步文件IO操作。


import aiofiles
import asyncio
async def write_file():
    async with aiofiles.open('/tmp/test.txt', mode='w') as f:
        await f.write('hello world\n')
    
async def read_file():
    async with aiofiles.open('/tmp/test.txt', mode='r') as f:
        contents = await f.read()
        print(contents)
async def main():
    await write_file()
    await read_file()
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(main())

在上面的代码中，我们使用了aiofiles模块来实现异步文件IO功能。首先，我们定义了两个异步函数write_file和read_file，分别用于写入和读取文件。然后，在main函数中依次调用这两个函数。

3.3 异步MySQL

asyncio-MySQL是一个用于在Python中异步访问MySQL数据库的库。在使用asyncio-MySQL时，可以使用Python的协程和async/await语句来进行异步MySQL查询。


import asyncio
import aiomysql
async def create_pool(loop):
    pool = await aiomysql.create_pool(
        host='127.0.0.1',
        port=3306,
        user='root',
        password='password',
        db='test',
        charset='utf8',
        loop=loop
    )
    return pool
async def select(loop):
    pool = await create_pool(loop)
    async with pool.acquire() as conn:
        async with conn.cursor() as cursor:
            await cursor.execute("SELECT * FROM user")
            record = await cursor.fetchall()
            print(record)
if __name__ == '__main__':
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.run_until_complete(select(loop))

在上面的代码中，我们使用aiomysql库来实现异步MySQL查询。首先，我们使用create_pool方法来创建一个MySQL连接池。然后，在异步函数select中，我们从连接池中获取连接，并执行查询操作，最后将结果打印出来。

4. 异步IO的优缺点

4.1 优点

高性能：异步IO可以避免线程切换所造成的消耗和时间浪费。

高并发：异步IO可以处理大量并发请求，提高系统的吞吐量。

提高系统稳定性：异步IO可以避免线程死锁等问题，提高系统的稳定性。

4.2 缺点

代码复杂度高：异步IO需要使用协程和异步函数等特殊的语法和API，增加了代码的复杂度。

难以调试：异步IO的调试比较困难，因为它的执行过程不是顺序执行，不易于调试排错。

不适合CPU密集型任务：异步IO主要用于IO密集型任务，对于CPU密集型任务，异步IO并不能提高系统的性能。

5. 总结

Python的asyncio模块为我们提供了一种高效的异步IO解决方案，可以帮助我们编写高性能、高并发的网络应用程序。在使用异步IO编程时，需要注意代码的复杂度和调试难度，并且需要根据实际情况选择合适的场景进行应用。

Python 的异步 IO：Asyncio