# A Conceptual Overview of `asyncio`

这篇 指南 旨在帮助您充分理解 `asyncio` 的基本运作原理，并使您理解推荐模式背后的原理和原因。

你可能会对某些关键的 `asyncio` 概念感到好奇。读完本文后，你将能够轻松地回答这些问题：

- 当一个对象被等待时，幕后发生了什么？

- `asyncio` 如何区分不需要 CPU 时间的任务（如网络请求或文件读取）和与之相反的任务（如计算 n 的阶乘）？

- 如何编写一个操作的异步变体，例如异步的休眠或数据库请求。

参见

- 启发这篇指南文章的 指南，作者是 Alexander Nordin。

- 这套深入讲解 `asyncio` 的 YouTube 教程系列，由 Python 核心团队成员 Łukasz Langa 制作。

- 500 Lines or Less: A Web Crawler With asyncio Coroutines，作者是 A. Jesse Jiryu Davis 和 Guido van Rossum。

## 概念概述第 1 部分：高层次

在第 1 部分中，我们将介绍主要的、高层级的 `asyncio` 构成部分：事件循环、协程函数、协程对象、任务和 `await`。

### Event Loop

Everything in `asyncio` happens relative to the event loop. It's the star of the show. It's like an orchestra conductor. It's behind the scenes managing resources. Some power is explicitly granted to it, but a lot of its ability to get things done comes from the respect and cooperation of its worker bees.

In more technical terms, the event loop contains a collection of jobs to be run. Some jobs are added directly by you, and some indirectly by `asyncio`. The event loop takes a job from its backlog of work and invokes it (or "gives it control"), similar to calling a function, and then that job runs. Once it pauses or completes, it returns control to the event loop. The event loop will then select another job from its pool and invoke it. You can roughly think of the collection of jobs as a queue: jobs are added and then processed one at a time, generally (but not always) in order. This process repeats indefinitely, with the event loop cycling endlessly onwards. If there are no more jobs pending execution, the event loop is smart enough to rest and avoid needlessly wasting CPU cycles, and will come back when there's more work to be done.

有效的执行依赖于作业的良好共享和合作；一个贪婪的作业可能会霸占控制权，让其他作业陷入饥饿，从而使整个事件循环机制变得毫无用处。

    import asyncio

    # 这会创建一个事件循环并无限循环地执行其作业集合。
    event_loop = asyncio.new_event_loop()
    event_loop.run_forever()

### 异步函数和协程

这是一个基本的、无趣的 Python 函数:

    def hello_printer():
        print(
            "Hi, I am a lowly, simple printer, though I have all I "
            "need in life -- \nfresh paper and my dearly beloved octopus "
            "partner in crime."
        )

调用一个普通函数会执行它的逻辑或函数体:

    >>> hello_printer()
    Hi, I am a lowly, simple printer, though I have all I need in life --
    fresh paper and my dearly beloved octopus partner in crime.

与普通的 `def` 不同，async def 使它成为一个异步函数（或“协程函数”）。调用它会创建并返回一个 协程 对象。

    async def loudmouth_penguin(magic_number: int):
        print(
         "I am a super special talking penguin. Far cooler than that printer. "
         f"By the way, my lucky number is: {magic_number}."
        )

调用异步函数 `loudmouth_penguin` 不会执行打印语句；相反，它会创建一个协程对象:

    >>> loudmouth_penguin(magic_number=3)
    <coroutine object loudmouth_penguin at 0x104ed2740>

"协程函数"和"协程对象"这两个术语经常被统称为协程。这可能会引起混淆！在本文中，协程特指协程对象，或者更准确地说，是 `types.CoroutineType` 的实例（原生协程）。请注意，协程也可以作为 `collections.abc.Coroutine` 的实例存在——这一点对于类型检查来说很重要。

协程代表函数体或逻辑。协程必须显式启动；再次强调，仅仅创建协程并不能启动它。值得注意的是，协程可以在函数体的不同位置暂停和恢复。这种暂停和恢复能力使得异步行为成为可能！

协程和协程函数是利用 生成器 和 生成器函数 构建的。回想一下，生成器函数是一个会 `yield` 的函数，就像这样:

    def get_random_number():
        # 这是一个糟糕的随机数生成器！
        print("Hi")
        yield 1
        print("Hello")
        yield 7
        print("Howdy")
        yield 4
        ...

与协程函数类似，调用生成器函数并不会运行该函数，而是创建一个生成器对象:

    >>> get_random_number()
    <generator object get_random_number at 0x1048671c0>

你可以通过内置函数 `next()` 执行生成器到下一个 `yield`。换句话说，生成器运行，然后暂停。例如:

    >>> generator = get_random_number()
    >>> next(generator)
    Hi
    1
    >>> next(generator)
    Hello
    7

### 任务

Roughly speaking, tasks are coroutines (not coroutine functions) tied to an event loop. A task also maintains a list of callback functions whose importance will become clear in a moment when we discuss `await`. The recommended way to create tasks is via `asyncio.create_task()`.

Creating a task automatically schedules it for execution (by adding a callback to run it in the event loop's to-do list, that is, collection of jobs).

`asyncio` 会为你自动将任务与事件循环进行关联。这种自动关联是出于简便的考虑有意设计在 `asyncio` 中的。 如果不是这样，你将需要手动将事件循环传给任何想要创建任务的协程函数，给你的代码增加大量冗余内容。

    coroutine = loudmouth_penguin(magic_number=5)
    # 这将创建一个 Task 对象并通过事件循环安排其执行。
    task = asyncio.create_task(coroutine)

之前，我们手动创建了事件循环并将其设置为永久运行。实际上，推荐（且常见）的做法是使用 `asyncio.run()`，它负责管理事件循环并确保提供的协程在继续执行之前结束。例如，许多异步程序都遵循以下设置:

    import asyncio

    async def main():
        # 执行各种稀奇古怪、天马行空的异步操作……
        ...

    if __name__ == "__main__":
        asyncio.run(main())
        # 直到协程 main() 结束，程序才会到达下面的打印语句。
        print("coroutine main() is done!")

需要注意的是，任务本身不会被添加到事件循环中，只有任务的回调函数才会被添加到事件循环中。如果你创建的任务对象在被事件循环调用之前就被垃圾回收了，这就会产生问题。例如，考虑这个程序：

    1async def hello():
    2    print("hello!")
    3
    4async def main():
    5    asyncio.create_task(hello())
    6    # 其他异步指令运行一段时间并将控制权交还给事件循环......
    7    ...
    8
    9asyncio.run(main())

由于没有对第 5 行创建的任务对象的引用，它 可能 在事件循环调用它之前就被垃圾回收了。协程 `main()` 中的后续指令将控制权交还给事件循环，以便它可以调用其他作业。当事件循环最终尝试运行该任务时，它可能会失败并发现任务对象不存在！即使协程持有对某个任务的引用，但如果协程在该任务结束之前就完成了，也可能发生这种情况。当协程退出时，局部变量超出范围，可能被垃圾回收。实际上，`asyncio` 和 Python 的垃圾回收器会非常努力地确保此类事情不会发生。但这并不是鲁莽行事的理由！

### await

`await` 是一个 Python 关键字，通常以两种不同的方式使用:

    await task
    await coroutine

从关键方面来说，`await` 的行为取决于所等待对象的类型。

等待任务会将控制权从当前任务或协程交还给事件循环。在交还控制权的过程中，会发生一些重要的事情。我们将使用以下代码示例来说明:

    async def plant_a_tree():
        dig_the_hole_task = asyncio.create_task(dig_the_hole())
        await dig_the_hole_task

        # 与植树相关的其他指令。
        ...

在这个例子中，假设事件循环已经将控制权交给了协程 `plant_a_tree()` 的开始部分。如上所示，协程创建了一个任务，然后对其执行了 await。`await dig_the_hole_task` 这条指令会将一个回调函数（用于恢复 `plant_a_tree()` 的执行）添加到 `dig_the_hole_task` 对象的回调函数列表中。随后，这条指令将控制权交还给事件循环。过一段时间后，事件循环会将控制权传递给 `dig_the_hole_task`，该任务会完成它需要做的工作。一旦任务结束，它会将它的各种回调函数添加到事件循环中，在这里是恢复 `plant_a_tree()` 的执行。

一般来说，当等待的任务完成时 (`dig_the_hole_task`)，原先的任务或协程 (`plant_a_tree()`) 将被添加回事件循环的待办列表以便恢复运行。

这是一个基础但可靠的思维模型。实际操作中，控制权交接会稍微复杂一些，但不会复杂太多。在第 2 部分中，我们将逐步讲解实现这一目标的细节。

与任务不同，等待协程并不会将控制权交还给事件循环！ 先将协程包装到任务中，然后再等待，会导致控制权交还。`await coroutine` 的行为实际上与调用常规的同步 Python 函数相同。考虑以下程序:

    import asyncio

    async def coro_a():
       print("I am coro_a(). Hi!")

    async def coro_b():
       print("I am coro_b(). I sure hope no one hogs the event loop...")

    async def main():
       task_b = asyncio.create_task(coro_b())
       num_repeats = 3
       for _ in range(num_repeats):
          await coro_a()
       await task_b

    asyncio.run(main())

协程 `main()` 中的第一条语句创建了 `task_b` 并调度它通过事件循环运行。然后，将重复地等待 `coro_a()`。 控制权从未被交还给事件循环，这就是为什么在 `coro_b()` 的输出之前我们会看到所有三次唤起 `coro_a()` 的输出：

    I am coro_a(). Hi!
    I am coro_a(). Hi!
    I am coro_a(). Hi!
    I am coro_b(). I sure hope no one hogs the event loop...

如果我们将 `await coro_a()` 改为 `await asyncio.create_task(coro_a())`，行为就会发生变化。协程 `main()` 会通过该语句将控制权交还给事件循环。然后，事件循环会继续处理其积压的工作，先调用 `task_b`，然后调用包装 `coro_a()` 的任务，最后恢复协程 `main()`。

    I am coro_b(). I sure hope no one hogs the event loop...
    I am coro_a(). Hi!
    I am coro_a(). Hi!
    I am coro_a(). Hi!

这种 `await coroutine` 的行为可能会困扰很多人！这个例子强调了仅使用 `await coroutine` 可能会无意中霸占其他任务的控制权并在实际上阻滞事件循环。 `asyncio.run()` 可以通过 `debug=True` 旗标来检测这种情况，它将会启用 调试模式。此外，它还会记录任何独占执行时间 100 毫秒以上的协程。

The design intentionally trades off some conceptual clarity around usage of `await` for improved performance. Each time a task is awaited, control needs to be passed all the way up the call stack to the event loop. That might sound minor, but in a large program with many `await` statements and a deep call stack, that overhead can add up to a meaningful performance drag.

## 概念概述第 2 部分：核心细节与运作机制

第 2 部分将详细介绍 `asyncio` 用于管理控制流的机制。这正是魔法发生的地方。读完本节后，您将了解 `await` 在幕后做了什么，以及如何创建您自己的异步运算符。

### 协程的内部工作原理

`asyncio` leverages four components to pass around control.

`coroutine.send(arg)` 是用于启动或恢复协程的方法。 如果协程已暂停并正在被恢复，则参数 `arg` 将作为原先暂停它的 `yield` 语句的返回值被发送。 如果协程是首次被使用（而不是被恢复），则 `arg` 必须为 `None`。

     1class Rock:
     2    def __await__(self):
     3        value_sent_in = yield 7
     4        print(f"Rock.__await__ resuming with value: {value_sent_in}.")
     5        return value_sent_in
     6
     7async def main():
     8    print("Beginning coroutine main().")
     9    rock = Rock()
    10    print("Awaiting rock...")
    11    value_from_rock = await rock
    12    print(f"Coroutine received value: {value_from_rock} from rock.")
    13    return 23
    14
    15coroutine = main()
    16intermediate_result = coroutine.send(None)
    17print(f"Coroutine paused and returned intermediate value: {intermediate_result}.")
    18
    19print(f"Resuming coroutine and sending in value: 42.")
    20try:
    21    coroutine.send(42)
    22except StopIteration as e:
    23    returned_value = e.value
    24print(f"Coroutine main() finished and provided value: {returned_value}.")

yield 像往常一样暂停执行并将控制权返回给调用者。在上面的例子中，第 3 行的 `yield` 被第 11 行的 `... = await rock` 调用。更宽泛地说，`await` 会调用给定对象的 `__await__()` 方法。`await` 还会做一件非常特别的事情：它会将接收到的任何 `yield` 沿着调用链向上传播（或称“传递”）。在本例中，这将回到第 16 行的 `... = coroutine.send(None)`。

协程通过第 21 行的 `coroutine.send(42)` 调用恢复。协程从第 3 行 `yield` (或暂停) 的位置继续执行，并执行其主体中的剩余语句。协程完成后，它会引发一个 `StopIteration` 异常，并将返回值附加在 `value` 属性中。

该代码片段产生以下输出：

    Beginning coroutine main().
    Awaiting rock...
    Coroutine paused and returned intermediate value: 7.
    Resuming coroutine and sending in value: 42.
    Rock.__await__ resuming with value: 42.
    Coroutine received value: 42 from rock.
    Coroutine main() finished and provided value: 23.

这里值得暂停一下，确保您已经理解了控制流和值传递的各种方式。我们涵盖了很多重要的概念，确保您理解得足够牢固。

从协程中“yield”（或有效地放弃控制权）的唯一方法是 `await` 一个在其 `__await__` 方法中 `yield` 的对象。这听起来可能有点奇怪。你可能会想：

> 1. What about a `yield` directly within the coroutine function? The coroutine function becomes an async generator function, a different beast entirely.

> 2. What about a yield from within the coroutine function to a (plain) generator? That causes the error: `SyntaxError: yield from not allowed in a coroutine.` This was intentionally designed for the sake of simplicity -- mandating only one way of using coroutines. Initially `yield` was barred as well, but was re-accepted to allow for async generators. Despite that, `yield from` and `await` effectively do the same thing.

### Future

Future 是一个用来表示计算状态和结果的对象。该术语指的是尚未发生的事情，而 Future 对象则是一种用来关注这些事情的方式。

Future 对象有几个重要的属性。其一是它的状态，可以是“待处理”、“已取消”或“已完成”。其二是它的结果，当状态转换为已完成时它就会被设定。 与协程不同，Future 并不代表要执行的实际计算；相反，它代表该计算的状态和结果，有点像一个状态灯（红色、黄色或绿色）或指示器。

为了获得这些功能，`asyncio.Task` 继承了 `asyncio.Future` 类。上一节提到任务存储了一个回调函数列表，这并不完全准确。实际上，实现这些逻辑的是 `Future` 类，而 `Task` 继承了它。

Future 也可以被直接使用（无需通过任务）。任务会在协程完成后将自身标记为已完成。而 Future 的功能更加多样，由你来指定它何时标记为已完成。因此，Future 是一个灵活的接口，你可以自定义等待和恢复的条件。

### 自制 asyncio.sleep

我们将通过一个例子来说明如何利用 Future 来创建自己的异步睡眠变体 (`async_sleep`)，模仿了 `asyncio.sleep()`。

这个代码段为事件循环注册了一些任务，然后等待由 `asyncio.create_task` 创建的任务，该任务包装了 `async_sleep(3)` 协程。我们希望该任务在三秒之后才结束，但不会阻止其他任务的运行。

    async def other_work():
        print("I like work. Work work.")

    async def main():
        # 向事件循环添加一些其他任务，这样在异步休眠时就可以做一些事情。
        work_tasks = [
            asyncio.create_task(other_work()),
            asyncio.create_task(other_work()),
            asyncio.create_task(other_work())
        ]
        print(
            "Beginning asynchronous sleep at time: "
            f"{datetime.datetime.now().strftime("%H:%M:%S")}."
        )
        await asyncio.create_task(async_sleep(3))
        print(
            "Done asynchronous sleep at time: "
            f"{datetime.datetime.now().strftime("%H:%M:%S")}."
        )
        # asyncio.gather 有效地等待集合中的每个任务。
        await asyncio.gather(*work_tasks)

下面，我们使用 Future 来自定义控制何时将任务标记为已完成。 如果 `future.set_result()` (负责将该 Future 标记为已完成的方法) 从未被调用，那么该任务将永远不会结束。 我们还借助了另一个任务，稍后将会介绍，它将监视已过去的时间，并相应地调用 `future.set_result()`。

    async def async_sleep(seconds: float):
        future = asyncio.Future()
        time_to_wake = time.time() + seconds
        # 将监视任务添加到事件循环。
        watcher_task = asyncio.create_task(_sleep_watcher(future, time_to_wake))
        # 阻塞直到 future 被标记为已完成。
        await future

下面，我们将使用一个相当简单的 `YieldToEventLoop()` 对象从其 `__await__` 方法中 `yield`，将控制权交还给事件循环。这实际上与调用 `asyncio.sleep(0)` 相同，但这种方式更为明晰，更不用说在展示如何实现 `asyncio.sleep` 时直接使用它有点作弊！

与往常一样，事件循环会轮番处理其任务，给予它们控制权并在它们暂停或完成时收回控制权。运行 `_sleep_watcher(...)` 协程的 `watcher_task` 将在事件循环的每个完整周期中被唤起一次。 在每次恢复时，它将检查时间，如果经过的时间不够，则会再次暂停并将控制权交还给事件循环。 一旦经过了足够的时间，`_sleep_watcher(...)` 会将该 Future 标记为已完成并通过退出无限的 `while` 循环来结束执行。鉴于这个辅助任务在事件循环的每个周期中只会被唤起一次，因此你应该注意到这个异步休眠将 至少 休眠三秒，而不是恰好三秒。请注意 `asyncio.sleep` 也同样如此。

    class YieldToEventLoop:
        def __await__(self):
            yield

    async def _sleep_watcher(future, time_to_wake):
        while True:
            if time.time() >= time_to_wake:
                # 这标记 future 为已完成。
                future.set_result(None)
                break
            else:
                await YieldToEventLoop()

以下是程序的完整输出：

    $ python custom-async-sleep.py
    Beginning asynchronous sleep at time: 14:52:22.
    I like work. Work work.
    I like work. Work work.
    I like work. Work work.
    Done asynchronous sleep at time: 14:52:25.

你可能会觉得这种异步睡眠的实现过于复杂。确实如此。这个例子旨在通过一个简单的示例来展示 Future 的多功能性，以便可以模仿更复杂的需求。作为参考，你可以不使用 Future 来实现它，如下所示:

    async def simpler_async_sleep(seconds):
        time_to_wake = time.time() + seconds
        while True:
            if time.time() >= time_to_wake:
                return
            else:
                await YieldToEventLoop()

目前就说这些了。希望你已准备好更自信地深入探索异步编程或是查看 `文档其余部分` 中的进阶主题。