【Python】协程，看了就会
一、基本介绍
从 Python 3.4 开始，Python 中加入了协程的概念，但这个版本的协程还是以生成器对象为基础的，在 Python 3.5 则增加了 async/await，使得协程的实现更加方便。
Python 中使用协程最常用的库莫过于 asyncio，所以本文会以 asyncio 为基础来介绍协程的使用。
首先我们需要了解下面几个概念。
- event_loop：事件循环，相当于一个无限循环，我们可以把一些函数注册到这个事件循环上，当满足条件发生的时候，就会调用对应的处理方法。
- coroutine：中文翻译叫协程，在 Python 中常指代为协程对象类型，我们可以将协程对象注册到时间循环中，它会被事件循环调用。我们可以使用 async 关键字来定义一个方法，这个方法在调用时不会立即
被执行，而是返回一个协程对象。 - task：任务，它是对协程对象的进一步封装，包含了任务的各个状态。
- future：代表将来执行或没有执行的任务的结果，实际上和 task 没有本质区别。
二、携程用法
定义携程
首先我们来定义一个协程，体验一下它和普通进程在实现上的不同之处，代码如下：
import asyncio
async def execute(x):
print('Number:', x)
coroutine = execute(1)
print('Coroutine:', coroutine) # Coroutine: <coroutine object execute at 0x000001ECF6762DC8>
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(coroutine) # Number: 1
首先我们引入了 asyncio 这个包，这样我们才可以使用 async 和 await，然后我们使用 async 定义了一个 execute 方法，方法接收一个数字参数，方法执行之后会打印这个数字。
随后我们直接调用了这个方法，然而这个方法并没有执行，而是返回了一个 coroutine 协程对象。随后我们使用 get_event_loop 方法创建了一个事件循环 loop，并调用了 loop 对象的 run_until_complete 方法将协程注
册到事件循环 loop 中，然后启动。最后我们才看到了 execute 方法打印了输出结果。
可见，async 定义的方法就会变成一个无法直接执行的 coroutine 协程对象，必须将其注册到事件循环中才可以执行。
上面我们还提到了 task，它是对 coroutine 对象的进一步封装，它里面相比 coroutine 对象多了运行状态，比如 running、finished 等，我们可以用这些状态来获取协程对象的执行情况。
在上面的例子中，当我们将 coroutine 对象传递给 run_until_complete 方法的时候，实际上它进行了一个操作就是将 coroutine 封装成了 task 对象，我们也可以显式地进行声明，如下所示：
async def execute(x):
print('Number:', x)
return x
coroutine = execute(1)
loop = asyncio.get_event_loop()
task = loop.create_task(coroutine)
print('Task:', task) # Task: <Task pending coro=<execute() running at C:/。。。:27>>
loop.run_until_complete(task) # Number: 1
print('Task:', task) # Task: <Task finished coro=<execute2() done, defined at C:/。。。:27> result=1>
这里我们定义了 loop 对象之后，接着调用了它的 create_task 方法将 coroutine 对象转化为了 task 对象，随后我们打印输出一下，发现它是 pending 状态。接着我们将 task 对象添加到事件循环中得到执行，随后我们再打印输出一下 task 对象，发现它的状态就变成了 finished，同时还可以看到其 result 变成了 1，也就是我们定义的 execute 方法的返回结果。
另外定义 task 对象还有一种方式，就是直接通过 asyncio 的 ensure_future 方法，返回结果也是 task 对象，这样的话我们就可以不借助于 loop 来定义，即使我们还没有声明 loop 也可以提前定义好 task 对象，写法如下：
async def execute(x):
print('Number:', x)
return x
coroutine = execute(1)
task = asyncio.ensure_future(coroutine)
print('Task:', task) # Task: <Task pending coro=<execute() running at C:/。。。:50>>
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(task) # Number: 1
print('Task:', task) # Task: <Task finished coro=<execute() done, defined at C:/。。。:50> result=1>
发现其运行效果都是一样的。
绑定回调
另外我们也可以为某个 task 绑定一个回调方法，比如我们来看下面的例子：
async def request():
url = 'https://www.baidu.com'
status = requests.get(url)
return status
def callback(_task):
print('Task Result:', _task.result())
coroutine = request()
task = asyncio.ensure_future(coroutine)
task.add_done_callback(callback)
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(task) # Task Result: <Response [200]>
在这里我们定义了一个 request 方法，请求了百度，获取其响应状态，但是这个方法里面我们没有任何 print 语句。随后我们定义了一个 callback 方法，这个方法接收一个参数，是 task 对象，然后调用 print 方法打印
了 task 对象的结果。这样我们就定义好了一个 coroutine 对象和一个回调方法，我们现在希望的效果是，当 coroutine 对象执行完毕之后，就去执行声明的 callback 方法。
那么它们二者怎样关联起来呢？很简单，只需要调用 add_done_callback 方法即可，我们将 callback 方法传递给了封装好的 task 对象，这样当 task 执行完毕之后就可以调用 callback 方法了，同时 task 对象还会作为参数传递给 callback 方法，调用 task 对象的 result 方法就可以获取返回结果了。
实际上不用回调方法，直接在 task 运行完毕之后也可以直接调用 result 方法获取结果，如下所示：
async def request():
url = 'https://www.baidu.com'
status = requests.get(url)
return status
coroutine = request()
task = asyncio.ensure_future(coroutine)
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(task)
print('Task Result:', task.result()) # Task Result: <Response [200]>
运行结果是一样的。
多任务协程
上面的例子我们只执行了一次请求，如果我们想执行多次请求应该怎么办呢？我们可以定义一个 task 列表，然后使用 asyncio 的 wait 方法即可执行，看下面的例子：
async def request():
url = 'https://www.baidu.com'
status = requests.get(url)
return status
tasks = [asyncio.ensure_future(request()) for _ in range(5)]
print('Tasks:', tasks)
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
for task in tasks:
print('Task Result:', task.result())
这里我们使用一个 for 循环创建了五个 task，组成了一个列表，然后把这个列表首先传递给了 asyncio 的 wait 方法，然后再将其注册到时间循环中，就可以发起五个任务了。最后我们再将任务的运行结果输出出来，运行结果如下：
Tasks: [<Task pending . . . >>, . . . , <Task pending . . . >>]
Task Result: <Response [200]>
Task Result: <Response [200]>
Task Result: <Response [200]>
Task Result: <Response [200]>
Task Result: <Response [200]>
可以看到五个任务被顺次执行了，并得到了运行结果。
三、协程实现
前面讲了这么多，又是 async，又是 coroutine，又是 task，又是 callback，但似乎并没有看出协程的优势啊？反而写法上更加奇怪和麻烦了，别急，上面的案例只是为后面的使用作铺垫，接下来我们正式来看下协程在解决 IO 密集型任务上有怎样的优势吧！
上面的代码中，我们用一个网络请求作为示例，这就是一个耗时等待的操作，因为我们请求网页之后需要等待页面响应并返回结果。耗时等待的操作一般都是 IO 操作，比如文件读取、网络请求等等。协程对于处理这种操作是有很大优势的，当遇到需要等待的情况的时候，程序可以暂时挂起，转而去执行其他的操作，从而避免一直等待一个程序而耗费过多的时间，充分利用资源。
为了表现出协程的优势，我们拿 https://static4.scrape.cuiqingcai.com/ 这个网站为例来进行演示，因为该网站响应比较慢，所以我们可以通过爬取时间来直观地感受到爬取速度的提升。
为了让你更好地理解协程的正确使用方法，这里我们先来看看使用协程时常犯的错误，后面再给出正确的例子来对比一下。
首先，我们还是拿之前的 requests 来进行网页请求，接下来我们再重新使用上面的方法请求一遍：
import asyncio
import requests
import time
start = time.time()
async def request():
url = 'https://static4.scrape.cuiqingcai.com/'
print('Waiting for', url)
response = requests.get(url)
print('Get response from', url, 'response', response)
tasks = [asyncio.ensure_future(request()) for _ in range(10)]
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
end = time.time()
print('Cost time:', end - start)
在这里我们还是创建了 10 个 task，然后将 task 列表传给 wait 方法并注册到时间循环中执行。
运行结果如下：
Waiting for https://static4.scrape.cuiqingcai.com/
Get response from https://static4.scrape.cuiqingcai.com/ response <Response [200]>
. . .
Cost time: 49.008238554000854
可以发现和正常的请求并没有什么两样，依然还是顺次执行的，耗时 49 秒，平均一个请求耗时 5 秒，说好的异步处理呢？
其实，要实现异步处理，我们得先要有挂起的操作，当一个任务需要等待 IO 结果的时候，可以挂起当前任务，转而去执行其他任务，这样我们才能充分利用好资源，上面方法都是一本正经的串行走下来，连个挂起都没有，怎么可能实现异步？想太多了。
要实现异步，接下来我们需要了解一下 await 的用法，使用 await 可以将耗时等待的操作挂起，让出控制权。当协程执行的时候遇到 await，事件循环就会将本协程挂起，转而去执行别的协程，直到其他的协程挂起或执行完毕。
所以，我们可能会将代码中的 request 方法改成如下的样子：
async def request():
url = 'https://static4.scrape.cuiqingcai.com/'
print('Waiting for', url)
response = await requests.get(url)
print('Get response from', url, 'response', response)
仅仅是在 requests 前面加了一个 await，然而执行以下代码，会得到如下报错：
Waiting for https://static4.scrape.cuiqingcai.com/
. . .
Task exception was never retrieved
future: <Task finished coro=<request() done, defined at C:/Users/Administrator/Desktop/spider/16.async_theory.py:128> exception=TypeError("object Response can't be used in 'await' expression")>
Traceback (most recent call last):
File "C:/Users/Administrator/Desktop/spider/16.async_theory.py", line 131, in request
response = await requests.get(url)
TypeError: object Response can't be used in 'await' expression
这次它遇到 await 方法确实挂起了，也等待了，但是最后却报了这么个错，这个错误的意思是 requests 返回的 Response 对象不能和 await 一起使用，为什么呢？因为根据官方文档说明，await 后面的对象必须是如下格式之一：
- 一个原生
coroutine对象。 - 一个由
types.coroutine修饰的生成器，这个生成器可以返回coroutine对象。 - 一个包含
await方法的对象返回的一个迭代器。
参考：https://www.python.org/dev/peps/pep-0492/#await-expression。
requests 返回的 Response 不符合上面任一条件，因此就会报上面的错误了。
那么你可能会发现，既然 await 后面可以跟一个 coroutine 对象，那么我用 async 把请求的方法改成 coroutine 对象不就可以了吗？所以就改写成如下的样子：
import asyncio
import requests
import time
start = time.time()
async def get(url):
return requests.get(url)
async def request():
url = 'https://static4.scrape.cuiqingcai.com/'
print('Waiting for', url)
response = await get(url)
print('Get response from', url, 'response', response)
tasks = [asyncio.ensure_future(request()) for _ in range(10)]
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
end = time.time()
print('Cost time:', end - start)
这里我们将请求页面的方法独立出来，并用 async 修饰，这样就得到了一个 coroutine 对象，我们运行一下看看：
Waiting for https://static4.scrape.cuiqingcai.com/
Get response from https://static4.scrape.cuiqingcai.com/ response <Response [200]>
. . .
Cost time: 53.78607153892517
还是不行，它还不是异步执行，也就是说我们仅仅将涉及 IO 操作的代码封装到 async 修饰的方法里面是不可行的！我们必须要使用支持异步操作的请求方式才可以实现真正的异步，所以这里就需要 aiohttp 派上用场了。
四、使用 aiohttp
aiohttp 是一个支持异步请求的库，利用它和 asyncio 配合我们可以非常方便地实现异步请求操作。
安装方式：pip3 install aiohttp
官方文档链接为：https://aiohttp.readthedocs.io/，它分为两部分，一部分是 Client，一部分是 Server，详细的内容可以参考官方文档。
下面我们将 aiohttp 用上来，将代码改成如下样子：
import asyncio
import aiohttp
import time
start = time.time()
async def get(url):
session = aiohttp.ClientSession()
response = await session.get(url)
await response.text()
await session.close()
return response
async def request():
url = 'https://static4.scrape.cuiqingcai.com/'
print('Waiting for', url)
response = await get(url)
print('Get response from', url, 'response', response)
tasks = [asyncio.ensure_future(request()) for _ in range(10)]
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
end = time.time()
print('Cost time:', end - start)
在这里我们将请求库由 requests 改成了 aiohttp，通过 aiohttp 的 ClientSession 类的 get 方法进行请求，结果如下：
Waiting for https://static4.scrape.cuiqingcai.com/
. . .
Waiting for https://static4.scrape.cuiqingcai.com/
. . .
Get response from https://static4.scrape.cuiqingcai.com/ response <ClientResponse(https://static4.scrape.cuiqingcai.com/) [200 OK]>
<CIMultiDictProxy('Server': 'nginx/1.17.8', 'Date': 'Wed, 14 Oct 2020 15:52:30 GMT', 'Content-Type': 'text/html; charset=utf-8', 'Transfer-Encoding': 'chunked', 'Connection': 'keep-alive', 'Vary': 'Accept-Encoding', 'X-Frame-Options': 'DENY', 'X-Content-Type-Options': 'nosniff', 'Referrer-Policy': 'same-origin', 'Strict-Transport-Security': 'max-age=15724800; includeSubDomains', 'Content-Encoding': 'gzip')>
. . .
Get response from https://static4.scrape.cuiqingcai.com/ response <ClientResponse(https://static4.scrape.cuiqingcai.com/) [200 OK]>
<CIMultiDictProxy('Server': 'nginx/1.17.8', 'Date': 'Wed, 14 Oct 2020 15:52:31 GMT', 'Content-Type': 'text/html; charset=utf-8', 'Transfer-Encoding': 'chunked', 'Connection': 'keep-alive', 'Vary': 'Accept-Encoding', 'X-Frame-Options': 'DENY', 'X-Content-Type-Options': 'nosniff', 'Referrer-Policy': 'same-origin', 'Strict-Transport-Security': 'max-age=15724800; includeSubDomains', 'Content-Encoding': 'gzip')>
Cost time: 5.596387624740601
成功了！我们发现这次请求的耗时由 50 秒变直接成了 5 秒多，耗费时间减少了非常非常多。
代码里面我们使用了 await，后面跟了 get 方法，在执行这 10 个协程的时候，如果遇到了 await，那么就会将当前协程挂起，转而去执行其他的协程，直到其他的协程也挂起或执行完毕，再进行下一个协程的执行。
开始运行时，时间循环会运行第一个 task，针对第一个 task 来说，当执行到第一个 await 跟着的 get 方法时，它被挂起，但这个 get 方法第一步的执行是非阻塞的，挂起之后立马被唤醒，所以立即又进入执行，创建了 ClientSession 对象，接着遇到了第二个 await，调用了 session.get 请求方法，然后就被挂起了，由于请求需要耗时很久，所以一直没有被唤醒。
当第一个 task 被挂起了，那接下来该怎么办呢？事件循环会寻找当前未被挂起的协程继续执行，于是就转而执行第二个 task 了，也是一样的流程操作，直到执行了第十个 task 的 session.get 方法之后，全部的 task 都被挂起了。所有 task 都已经处于挂起状态，怎么办？只好等待了。5 秒之后，几个请求几乎同时都有了响应，然后几个 task 也被唤醒接着执行，输出请求结果，最后总耗时，5.6 秒！
怎么样？这就是异步操作的便捷之处，当遇到阻塞式操作时，任务被挂起，程序接着去执行其他的任务，而不是傻傻地等待，这样可以充分利用 CPU 时间，而不必把时间浪费在等待 IO 上。
你可能会说，既然这样的话，在上面的例子中，在发出网络请求后，既然接下来的 5 秒都是在等待的，在 5 秒之内，CPU 可以处理的 task 数量远不止这些，那么岂不是我们放 10 个、20 个、50 个、100 个、1000 个 task 一起执行，最后得到所有结果的耗时不都是差不多的吗？因为这几个任务被挂起后都是一起等待的。
理论来说确实是这样的，不过有个前提，那就是服务器在同一时刻接受无限次请求都能保证正常返回结果，也就是服务器无限抗压，另外还要忽略 IO 传输时延，确实可以做到无限 task 一起执行且在预想时间内得到结果。但由于不同服务器处理的实现机制不同，可能某些服务器并不能承受这么高的并发，因此响应速度也会减慢。
在这里我们以百度为例，来测试下并发数量为 1、3、5、10、...、500 的情况下的耗时情况，代码如下：
import asyncio
import aiohttp
import time
def test(num):
start = time.time()
async def get(url):
session = aiohttp.ClientSession()
response = await session.get(url)
await response.text()
await session.close()
return response
async def request():
url = 'https://www.baidu.com/'
await get(url)
tasks = [asyncio.ensure_future(request()) for _ in range(num)]
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
end = time.time()
print('Number:', num, 'Cost time:', end - start)
for number in [1, 3, 5, 10, 15, 30, 50, 75, 100, 200, 500]:
test(number)
运行结果如下：
Number: 1 Cost time: 0.05885505676269531
Number: 3 Cost time: 0.05773782730102539
Number: 5 Cost time: 0.05768704414367676
Number: 10 Cost time: 0.15174412727355957
Number: 15 Cost time: 0.09603095054626465
Number: 30 Cost time: 0.17843103408813477
Number: 50 Cost time: 0.3741800785064697
Number: 75 Cost time: 0.2894289493560791
Number: 100 Cost time: 0.6185381412506104
Number: 200 Cost time: 1.0894129276275635
Number: 500 Cost time: 1.8213098049163818
可以看到，即使我们增加了并发数量，但在服务器能承受高并发的前提下，其爬取速度几乎不太受影响。
综上所述，使用了异步请求之后，我们几乎可以在相同的时间内实现成百上千倍次的网络请求，把这个运用在爬虫中，速度提升是非常可观的。
以上便是 Python 中协程的基本原理和用法。
