Python 异步编程与协程实战教程

任务调度

创建任务

import asyncio

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

async def main():
    task1 = asyncio.create_task(hello())
    task2 = asyncio.create_task(hello())
    await task1
    await task2

asyncio.run(main())

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())

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())

事件循环

事件循环的概述

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。

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())

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()))

asyncio 库

asyncio 的基本用法

import asyncio

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

asyncio.run(hello())

asyncio 的常用函数

• 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。

asyncio 的高级用法

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())

aiohttp 库

安装 aiohttp

pip install aiohttp

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())

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())

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())

实战案例：异步 HTTP 客户端

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。

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')

实施过程

1. 安装 aiohttp 库。
2. 定义发送 HTTP 请求的协程函数。
3. 定义并发发送 HTTP 请求的协程函数。
4. 运行程序。

最终效果

通过异步 HTTP 客户端，我们可以实现以下功能：

• 发送 HTTP 请求。
• 并发发送多个 HTTP 请求。
• 处理响应数据。

实战案例：异步 Web 服务器

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。

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))

实施过程

1. 安装 aiohttp 库。
2. 定义处理 HTTP 请求的协程函数。
3. 创建 Web 应用。
4. 添加路由。
5. 运行 Web 服务器。

最终效果

通过异步 Web 服务器，我们可以实现以下功能：

• 处理 HTTP 请求。
• 提供静态文件服务。
• 实现简单的 API 接口。

总结

本文详细介绍了 Python 异步编程的基本概念和方法，包括协程、任务调度、事件循环等；学习了 asyncio、aiohttp 等核心库的使用；通过实战案例开发了异步 HTTP 客户端和异步 Web 服务器。建议读者在学习过程中多练习，通过编写代码加深对知识点的理解。