异步IO:asyncio

　　asyncio

　　aysncio是Python3.4版本引入的标准库，直接内置了对异步IO的支持。

　　asyncio的编程模式就是一个消息循环。我们从asyncio模板中直接获取一个Eventloop(事件循环)的引用，然后把需要执行的协程扔到Eventloop中执行，就实现了异步IO。

　　用asyncio实现Hello world代码如下

　　async_hello.py

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# asyncio start
import asyncio
# 装饰器装饰的函数为协程函数
@asyncio.coroutine
def hello():
    print('Hello world!')
    r = yield from asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')
 
# 获取Eventloop事件循环
loop = asyncio.get_event_loop()
# 执行协程，协程函数不能直接执行，需要放入事件循环才能执行
loop.run_until_complete(hello())
# 关闭事件循环
loop.close()
# asyncio end

　　输出如下

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Hello world!
Hello again!

　　解析：

　　运行事件循环，事件循环绑定的协程函数是hello()该协程函数首先打印 “Hello world! ” 然后遇到yield from asyncio.sleep(1)模拟的IO耗时操作，此时如果事件循环绑定了其他协程则会去执行其他协程，本次只绑定了一个协程所以等待1秒后输出“hello again!”

　　@asyncio.coroutine把一个generator标记为coroutine类型，然后，我们就把这个coroutine扔到EventLoop中执行。

　　hello()会首先打印出Hello world!，然后，yield from语法可以让我们方便地调用另一个generator。由于asyncio.sleep()也是一个coroutine，所以线程不会等待asyncio.sleep()，而是直接中断并执行下一个消息循环。当asyncio.sleep()返回时，线程就可以从yield from拿到返回值（此处是None），然后接着执行下一行语句。

　　把asyncio.sleep(1)看成是一个耗时1秒的IO操作，在此期间，主线程并未等待，而是去执行EventLoop中其他可以执行的coroutine了，因此可以实现并发执行。

　　我们用Task封装两个coroutine试试：

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# 封装两个task任务 start
import asyncio
import threading
# 装饰器装饰的函数为协程函数
@asyncio.coroutine
def hello():
    print('Hello world! %s' % threading.currentThread() )
    yield from asyncio.sleep(1)
    print('Hello again! %s' % threading.currentThread())
 
# 获取Eventloop事件循环
loop = asyncio.get_event_loop()
# 执行协程，协程函数不能直接执行，需要放入事件循环才能执行
tasks = [hello(),hello()]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
# 关闭事件循环
loop.close()
# 封装两个task任务 end

　　输出如下

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Hello world! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
Hello world! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
等待约1秒
Hello again! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
Hello again! <_MainThread(MainThread, started 18168)>

　　由打印的当前线程名称可以看出，两个coroutine是由同一个线程并发执行的。所以输出两个Hello world!几乎是同时的，然后两个协程同时等待1秒输出两个Hello again! 。如果不是并发则应该前后两次输出，类似下面这样

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Hello world! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
等待约1秒
Hello again! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
Hello world! <_MainThread(MainThread, started 18168)>
等待约1秒
Hello again! <_MainThread(MainThread, started 18168)>

　　如果把asyncio.sleep()换成真正的IO操作，则多个coroutine是由同一个线程并发执行的。

　　我们用asyncio的异步网络连接来获取sina，sohu和163的网站首页

　　async_wget.py

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import asyncio
 
@asyncio.coroutine
def wget(host):
    print('wget %s...' % host)
    # 创建TCP客户端并连接服务器，或者说创建一个TCP连接对象
    # open_connection接收两个参数：主机名和端口号
    # connect是协程，这步仅创建协程对象，立即返回，不阻塞
    connect = asyncio.open_connection(host,80)
    # 运行协程连接服务器，这步是阻塞操作，释放CPU
    # 连接创建成功后，asyncio.open_connection方法返回的就是读写对象
    # 读写对象分别为 StreamReader和StreamWriter实例
    # 它们也是协程对象，底层调用Socker模块的send和recv方法实现读写
    reader,writer = yield from connect
    # heade是发送给服务器的消息，意为获取页面的header信息
    # 它的格式是固定的
    header = 'GET / HTTP/1.0\r\nHost: %s\r\n\r\n' %host
    # 给服务器发消息，注意消息是二进制的，本次使用utf-8编码
    writer.write(header.encode('utf-8'))
    # writer.drain()是一个与底层IO输入缓冲区交互流量控制方法，需要配合writer.write使用
    # 当缓冲区达到上限时，drain()阻塞，待缓冲区回落到下限时，写操作恢复
    # 当不需要等待时，drain()会立即返回，假如上面的消息内容较少，不会阻塞
    # 这就是一个控制消息数据量的控制阀
    yield from writer.drain()
    # 给服务器发送消息后，就等着读取服务器返回来的消息
    while True:
        # 读取数据是阻塞操作，释放CPU
        # reader相当于一个水盆，服务器发来的数据是水流
        # readline表示读取一行，以\n作为换行符
        # 如果在出现\n之前，数据流出现EOF(End of File文件结束符)也会返回
        # 相当于出现\n或EOF时，拧上水龙头，line就是这盆水
        line = yield from reader.readline()
        # 数据接收完毕，会返回空字符串\r\n,退出while循环，结束数据接收
        if line == b'\r\n':
            break
        # 接收数据是二进制，转换为UTF-8格式并打印
        # rstrip()方法删掉字符串结尾就是右边的空白字符，也就是\n
        print('%s header > %s' % (host,line.decode('utf-8').rstrip()))
    # 关闭数据流，可以省略
    writer.close()
    yield from writer.wait_closed()
 
hosts = ['192.168.1.100']
hosts = ['www.sina.com.cn','www.sohu.com','www.163.com']
# 创建task任务
tasks = [wget(host) for host in hosts ]
# 创建事件循环
loop = asyncio.get_event_loop()
# 运行事件循环
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))

　　执行结果如下

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wget www.sohu.com...
wget www.163.com...
wget www.baidu.com...
www.sohu.com header > HTTP/1.1 307 Temporary Redirect
www.sohu.com header > Content-Type: text/html
www.sohu.com header > Content-Length: 180
www.sohu.com header > Connection: close
www.sohu.com header > Server: nginx
www.sohu.com header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:18:16 GMT
www.sohu.com header > Location: https://www.sohu.com/
www.sohu.com header > FSS-Cache: from 4094608.6191770.5431472
www.sohu.com header > FSS-Proxy: Powered by 4356756.6716062.5693624
www.163.com header > HTTP/1.1 301 Moved Permanently
www.163.com header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:18:16 GMT
www.163.com header > Content-Length: 0
www.163.com header > Connection: close
www.163.com header > Server: web cache
www.163.com header > Location: https://www.163.com/
www.163.com header > Cache-Control: no-cache,no-store,private
www.163.com header > cdn-user-ip: 116.25.237.202
www.163.com header > cdn-ip: 183.47.233.150
www.163.com header > X-Cache-Remote: MISS
www.163.com header > cdn-source: baishan
www.baidu.com header > HTTP/1.0 200 OK
www.baidu.com header > Accept-Ranges: bytes
www.baidu.com header > Cache-Control: no-cache
www.baidu.com header > Content-Length: 14615
www.baidu.com header > Content-Type: text/html
www.baidu.com header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:18:16 GMT
www.baidu.com header > P3p: CP=" OTI DSP COR IVA OUR IND COM "
www.baidu.com header > Pragma: no-cache
www.baidu.com header > Server: BWS/1.1
www.baidu.com header > Set-Cookie: BAIDUID=00D297D9A818428E9A332BB01C2BA52E:FG=1; expires=Thu, 31-Dec-37 23:55:55 GMT; max-age=2147483647; path=/; domain=.baidu.com 
www.baidu.com header > Set-Cookie: BIDUPSID=00D297D9A818428E9A332BB01C2BA52E; expires=Thu, 31-Dec-37 23:55:55 GMT; max-age=2147483647; path=/; domain=.baidu.com     
www.baidu.com header > Set-Cookie: PSTM=1635499096; expires=Thu, 31-Dec-37 23:55:55 GMT; max-age=2147483647; path=/; domain=.baidu.com
www.baidu.com header > Set-Cookie: BAIDUID=00D297D9A818428E1A7073DA9DEB891D:FG=1; max-age=31536000; expires=Sat, 29-Oct-22 09:18:16 GMT; domain=.baidu.com; path=/; version=1; comment=bd
www.baidu.com header > Traceid: 1635499096061364455412067686187092680246
www.baidu.com header > Vary: Accept-Encoding
www.baidu.com header > X-Frame-Options: sameorigin
www.baidu.com header > X-Ua-Compatible: IE=Edge,chrome=1
PS D:\learn-python3\函数式编程> & C:/ProgramData/Anaconda3/python.exe d:/learn-python3/异步IO/async_wget.py
d:/learn-python3/异步IO/async_wget.py:4: DeprecationWarning: "@coroutine" decorator is deprecated since Python 3.8, use "async def" instead
  def wget(host):
wget www.163.com...
wget www.sohu.com...
wget www.sina.com.cn...
www.sohu.com header > HTTP/1.1 307 Temporary Redirect
www.sohu.com header > Content-Type: text/html
www.sohu.com header > Content-Length: 180
www.sohu.com header > Connection: close
www.sohu.com header > Server: nginx
www.sohu.com header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:19:33 GMT
www.sohu.com header > Location: https://www.sohu.com/
www.sohu.com header > FSS-Cache: from 4160145.6322843.5497010
www.sohu.com header > FSS-Proxy: Powered by 4356756.6716062.5693624
www.163.com header > HTTP/1.1 301 Moved Permanently
www.163.com header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:19:33 GMT
www.163.com header > Content-Length: 0
www.163.com header > Connection: close
www.163.com header > Server: web cache
www.163.com header > Location: https://www.163.com/
www.163.com header > Cache-Control: no-cache,no-store,private
www.163.com header > cdn-user-ip: 116.25.237.202
www.163.com header > cdn-ip: 183.47.233.148
www.163.com header > X-Cache-Remote: MISS
www.163.com header > cdn-source: baishan
www.sina.com.cn header > HTTP/1.1 302 Found
www.sina.com.cn header > Server: Tengine
www.sina.com.cn header > Date: Fri, 29 Oct 2021 09:19:33 GMT
www.sina.com.cn header > Content-Type: text/html
www.sina.com.cn header > Content-Length: 242
www.sina.com.cn header > Connection: close
www.sina.com.cn header > Location: https://www.sina.com.cn/
www.sina.com.cn header > X-DSL-CHECK: 5
www.sina.com.cn header > X-Via-CDN: f=alicdn,s=cache5.cn1366,c=116.25.237.202;
www.sina.com.cn header > Via: cache5.cn1366[,0]
www.sina.com.cn header > Timing-Allow-Origin: *
www.sina.com.cn header > EagleId: 0e1d289916354991731167720e

　　可见3个连接由一个线程通过coroutine并发完成。

　　小结

　　asyncio提供了完善的异步IO支持；

　　异步操作需要在coroutine中通过yield from完成；

　　多个coroutine可以封装成一组Task然后并发执行。

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