asyncio - 异步 I/O, 事件循环，协程和任务

CPU 的执行是顺序的，线程是操作系统提供的一种机制，允许我们在操作系统的层面上实现“并行”。而协程则可以认为是应用程序提供的一种机制（用户或库来完成），允许我们在应用程序的层面上实现“并行”。

由于本质上程序是顺序执行的，要实现这种“并行”的假像，我们需要一种机制，来“暂停”当前的执行流，并在之后“恢复”之前的执行流。这在操作系统及多线程/多进程中称为“上下文切换” (context switch)。其中“上下文”记录了某个线程执行的状态，包括线程里用到的各个变量，线程的调用栈等。而“切换”指的就是保存某个线程当前的运行状态，之后再从之前的状态中恢复。只不过线程相关的工作是由操作系统完成，而协程则是由应用程序自己来完成。

与线程不同的时，协程完成的功能通常较小，所以会有需求将不同的协程串起来，我们暂时称它为协程链 (coroutine chain)。 [1]

此模块为使用协程编写单线程并发代码，sockets 和其他资源的 I/O 多路复用，运行网络客户端和服务端提供了基础架构。以下是更详细的包内容列表：

可用于多种特定系统具体实现的可插拔事件循环
传输和协议抽象
支持 TCP、 UDP、 SSL、子进程管道，延迟通信以及其他的具体支持（有些可能是系统相关的)
一个模仿 concurrent.futures 模块但适合在事件循环中使用的 Future 类
协程和任务基于 yield from，帮助以顺序的方式编写并发代码
对 Future 和协程提供终止支持
单线程中，在协程间使用同步原语来模拟那些线程模块
一个用于传递工作的线程池的接口，当年你不得不使用一个阻塞 I/O 调用的库的时候使用

在使用 asyncio 模块进行异步编程前需要理解以下概念 [2] ：

Event loop 事件循环复用 I/O，利用 selectors 工作，序列化事件处理。程序开启一个无限的循环，把一些函数注册到事件循环上。当满足事件发生的时候，调用相应的协程函数。
coroutine 协程对象，指一个使用async def 关键字定义的函数，它的调用不会立即执行函数，而是会返回一个协程对象。协程不能直接运行, 需要把协程对象注册到事件循环，由事件循环调用。
Futures 这是那些延迟生产者的抽象。 asyncio.Future 类与 Python3.2 中引入的 Future 类似。即，concurrent.futures.Future类。但是，在这种情况下，Future 适用于协程。该 asyncio 模块不适用现有的concurrent.futures.Future类，因为它被设计用于线程工作。该模块鼓励在协程中使用 await 锁住当前的任务来等待结果，从而避免阻塞你的应用。你的协程代码块；也就是说，你的协程被挂起，直到产生了结果，但是事件循环却没有被阻塞。若同一个 event loop 还有其他的任务序列，他们可能会运行。当协程产生结果的时候，暂停的协程会恢复，你可以编写同顺序执行一样的代码。你可以阅读代码，无需考虑 await 的存在。当你使用在函数中使用 await 返回一个 await 对象，你可以忘记 Future 执行的特殊的细节和它特定的 API。如果产生异常，比如你调用了函数，它没有返回 Future，却做了顺序执行，那么异常会被抛出。所以，编写异步代码同编写同步代码一样，除了添加 await。
Tasks 每个 Task 是一个被 Future 包裹的协程，随着 event loop 的运行而运行。 asyncio.Task 类是 asyncio.Future 的子类。tasks 也与 await 一起工作。

语法 [3]

async def 用于定义协程的关键字
await 挂起阻塞的异步调用接口
asyncio.get_event_loop 创建一个默认的事件循环
asyncio.gather 接受一堆协程
asyncio.wait 接受一个协程组成的列表

下面是一个示例:

import asyncio


async def hello_world():  # 创建一个协程（async def），它是 Future 对象
    print("Hello World!")
    await asyncio.sleep(2)
    print("Bye World!")
    return "Hello World"


async def hello_lfzyx():  # 创建一个协程（async def），它是 Future 对象
    print("Hello lfzyx!")
    await asyncio.sleep(3)
    print("Bye lfzyx!")
    return "lfzyx"


def callback(re):
    print('Callback: ', re.result())


if __name__ == "__main__":
    loop = asyncio.get_event_loop()  # 创建一个默认的事件循环
    task = asyncio.gather(hello_world(), hello_lfzyx())
    task.add_done_callback(callback)
    loop.run_until_complete(task)  # 将协程注册到事件循环，并启动事件循环
    loop.close()  # 关闭事件循环

参考文献