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Python

Python 异步编程与协程实战

Python 异步编程利用非阻塞机制提升 I/O 密集型任务执行效率。内容涵盖协程定义、事件循环原理及任务调度策略。深入讲解 asyncio 库常用函数（run、create_task、gather、wait_for）及 Future 对象使用。结合 aiohttp 库演示异步 HTTP 客户端与服务器的构建，包含 GET/POST/JSON 请求处理及静态文件服务。通过并发请求实战案例展示性能优化方法，提供完整代码示例与实施步骤，适用于高并发网络应用开发场景。

beaabea发布于 2026/3/22更新于 2026/6/120 浏览
Python 异步编程与协程实战

Python 异步编程与协程实战

一、概述

1.1 什么是异步编程

异步编程是一种并发编程方式，通过非阻塞操作提高程序执行效率。在异步编程中，程序可以在等待 I/O 操作完成时继续执行其他任务，而不需要阻塞等待。

1.2 异步编程的优势
  • 提高执行效率：在等待 I/O 操作完成时，程序可以继续执行其他任务。
  • 降低资源消耗：减少了线程切换的开销。
  • 简化代码结构：通过协程和任务调度，代码结构更加简洁。
1.3 应用场景
  • 网络通信：如 HTTP 请求、Web 服务器、WebSocket 通信等。
  • 文件操作：如大文件的读取和写入。
  • 数据库操作：如异步数据库查询。

二、协程的定义与使用

2.1 协程定义

协程（Coroutine）是一种轻量级的线程，可以在程序中进行暂停和恢复。在 Python 中，协程可以通过 async def 关键字定义。

2.2 协程运行示例
import asyncio

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')

asyncio.run(hello())
2.3 协程的暂停与恢复
import asyncio

async def count():
    print('Counting...')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Counted!')

async def main():
    await asyncio.gather(count(), count(), count())

asyncio.run(main())

三、任务调度

3.1 创建任务
import asyncio

  ():
    ()
     asyncio.sleep()
    ()

  ():
    task1 = asyncio.create_task(hello())
    task2 = asyncio.create_task(hello())
     task1
     task2

asyncio.run(main())
async
def
hello
print
'Hello, World!'
await
1
print
'Hello again!'
async
def
main
await
await
3.2 任务的取消
import asyncio

async def hello():
    try:
        print('Hello, World!')
        await asyncio.sleep(1)
        print('Hello again!')
    except asyncio.CancelledError:
        print('Task cancelled!')

async def main():
    task = asyncio.create_task(hello())
    await asyncio.sleep(0.5)
    task.cancel()
    try:
        await task
    except asyncio.CancelledError:
        print('Main: Task cancelled!')

asyncio.run(main())
3.3 任务的超时
import asyncio

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(2)
    print('Hello again!')

async def main():
    try:
        await asyncio.wait_for(hello(), timeout=1)
    except asyncio.TimeoutError:
        print('Task timed out!')

asyncio.run(main())

四、事件循环

4.1 事件循环概述

事件循环是异步编程的核心组件，负责调度任务的执行。事件循环会不断地从任务队列中取出任务并执行，直到任务队列为空。

4.2 获取事件循环
import asyncio

loop = asyncio.get_event_loop()

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')

loop.run_until_complete(hello())
4.3 事件循环的运行
import asyncio

loop = asyncio.get_event_loop()

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')

loop.run_until_complete(asyncio.gather(hello(), hello(), hello()))

五、asyncio 库

5.1 基本用法
import asyncio

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')

asyncio.run(hello())
5.2 常用函数
  • asyncio.run()：运行协程。
  • asyncio.create_task()：创建任务。
  • asyncio.gather()：收集多个协程的结果。
  • asyncio.wait_for()：等待协程完成，设置超时。
  • asyncio.sleep()：暂停协程。
5.3 高级用法
import asyncio

async def hello():
    print('Hello, World!')
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello again!')

async def main():
    future = asyncio.Future()
    task = asyncio.create_task(hello())
    task.add_done_callback(lambda t: future.set_result(t.result()))
    await future

asyncio.run(main())

六、aiohttp 库

6.1 安装
pip install aiohttp
6.2 发送 HTTP 请求
import aiohttp
import asyncio

async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        html = await fetch(session, 'https://www.example.com')
        print(html)

asyncio.run(main())
6.3 发送 POST 请求
import aiohttp
import asyncio
import json

async def post_data(session, url, data):
    async with session.post(url, data=data) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        data = {'name': '张三', 'age': 25}
        response = await post_data(session, 'https://httpbin.org/post', data)
        print(response)

asyncio.run(main())
6.4 发送 JSON 请求
import aiohttp
import asyncio
import json

async def post_json(session, url, data):
    async with session.post(url, json=data) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        data = {'name': '张三', 'age': 25}
        response = await post_json(session, 'https://httpbin.org/post', data)
        print(response)

asyncio.run(main())

七、实战案例：异步 HTTP 客户端

7.1 需求分析

开发一个异步 HTTP 客户端，支持以下功能：

  • 发送 HTTP 请求。
  • 并发发送多个 HTTP 请求。
  • 处理响应数据。
7.2 代码实现
import aiohttp
import asyncio
import time

async def fetch(session, url):
    start_time = time.time()
    async with session.get(url) as response:
        text = await response.text()
        elapsed_time = time.time() - start_time
        return url, len(text), elapsed_time

async def main():
    urls = ['https://www.example.com', 'https://www.google.com', 'https://www.github.com', 'https://www.python.org', 'https://www.djangoproject.com']
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        tasks = [asyncio.create_task(fetch(session, url)) for url in urls]
        results = await asyncio.gather(*tasks)
        for url, length, elapsed_time in results:
            print(f'URL: {url}, 响应长度：{length}, 耗时：{elapsed_time:.2f}秒')

if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    asyncio.run(main())
    elapsed_time = time.time() - start_time
    print(f'总耗时：{elapsed_time:.2f}秒')

八、实战案例：异步 Web 服务器

8.1 需求分析

开发一个异步 Web 服务器，支持以下功能：

  • 处理 HTTP 请求。
  • 提供静态文件服务。
  • 实现简单的 API 接口。
8.2 代码实现
from aiohttp import web
import asyncio

async def handle_root(request):
    return web.Response(text='Hello, World!')

async def handle_api(request):
    data = {'name': '张三', 'age': 25}
    return web.json_response(data)

async def handle_static(request):
    return web.FileResponse('static/index.html')

async def create_app():
    app = web.Application()
    app.add_routes([
        web.get('/', handle_root),
        web.get('/api', handle_api),
        web.get('/static/{name}', handle_static)
    ])
    return app

if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(web.run_app(create_app(), host='localhost', port=8080))

总结

本文涵盖了 Python 异步编程的核心概念，包括协程、任务调度及事件循环机制。通过 asyncio 和 aiohttp 库的实战演示，展示了如何构建高效的异步 HTTP 客户端与 Web 服务器。开发者可通过上述代码示例理解高并发场景下的网络应用开发模式。

目录

  1. Python 异步编程与协程实战
  2. 一、概述
  3. 1.1 什么是异步编程
  4. 1.2 异步编程的优势
  5. 1.3 应用场景
  6. 二、协程的定义与使用
  7. 2.1 协程定义
  8. 2.2 协程运行示例
  9. 2.3 协程的暂停与恢复
  10. 三、任务调度
  11. 3.1 创建任务
  12. 3.2 任务的取消
  13. 3.3 任务的超时
  14. 四、事件循环
  15. 4.1 事件循环概述
  16. 4.2 获取事件循环
  17. 4.3 事件循环的运行
  18. 五、asyncio 库
  19. 5.1 基本用法
  20. 5.2 常用函数
  21. 5.3 高级用法
  22. 六、aiohttp 库
  23. 6.1 安装
  24. 6.2 发送 HTTP 请求
  25. 6.3 发送 POST 请求
  26. 6.4 发送 JSON 请求
  27. 七、实战案例：异步 HTTP 客户端
  28. 7.1 需求分析
  29. 7.2 代码实现
  30. 八、实战案例：异步 Web 服务器
  31. 8.1 需求分析
  32. 8.2 代码实现
  33. 总结
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