Python 异步编程与协程实战指南

任务取消与超时

处理异常是健壮性的关键。如果任务需要被取消，或者执行时间过长，我们需要捕获相应的异常。

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())

对于超时控制，asyncio.wait_for() 非常实用，它能确保任务在规定时间内完成，否则抛出 TimeoutError。

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())

事件循环核心

事件循环（Event Loop）是异步编程的心脏，负责从任务队列中取出任务并调度执行。虽然现代 Python 推荐使用 asyncio.run() 自动管理循环，但在某些底层场景中，直接获取和操作循环依然必要。

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())

asyncio 库详解

asyncio 是 Python 标准库中实现异步 I/O 的核心模块。

常用函数速查

• asyncio.run(): 启动事件循环，运行顶层协程。
• asyncio.create_task(): 创建后台任务。
• asyncio.gather(): 收集多个协程的结果。
• asyncio.wait_for(): 带超时的等待。
• asyncio.sleep(): 模拟异步延迟。

高级用法：Future 对象

在处理回调逻辑时，Future 对象提供了灵活的状态通知机制。

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())

aiohttp 库实战

aiohttp 是基于 asyncio 的 HTTP 客户端和服务端库，非常适合构建高性能 Web 应用。

安装与基础请求

首先安装依赖：

pip install aiohttp

发送 GET 请求示例：

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())

发送 POST 请求和 JSON 数据同样简单：

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())

实战案例：高并发 HTTP 客户端

下面是一个完整的异步 HTTP 客户端示例，支持并发请求多个 URL 并统计耗时。

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')

这个脚本展示了如何利用异步特性同时发起多个请求，而不是串行等待，从而大幅提升整体吞吐量。

实战案例：异步 Web 服务器

利用 aiohttp.web 模块，我们可以快速搭建一个异步 Web 服务。

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))

该服务器能够处理根路径访问、返回 JSON API 数据以及提供静态文件服务，所有请求处理均是非阻塞的。

总结

掌握 Python 异步编程的关键在于理解事件循环与协程的配合。通过 asyncio 和 aiohttp，开发者可以编写出高效、低资源消耗的并发程序。无论是构建高并发爬虫还是微服务接口，异步模式都是现代 Python 开发不可或缺的技能。建议在实际项目中多尝试结合具体业务场景练习，深入体会其性能优势。