Python 异步编程入门

作者: 阮一峰

日期: 2019年11月21日

腾讯课堂 NEXT 学院

本文是写给 JavaScript 程序员的 Python 教程。

Python 的异步编程,其他人可能觉得很难,但是 JavaScript 程序员应该特别容易理解,因为两者的概念和语法类似。JavaScript 的异步模型更简单直观,很适合作为学习 Python 异步的基础。

本文解释 Python 的异步模块 asyncio 的概念和基本用法,并且演示如何通过 Python 脚本操作无头浏览器 pyppeteer

一、Python 异步编程的由来

历史上,Python 并不支持专门的异步编程语法,因为不需要。

有了多线程(threading)和多进程(multiprocessing,就没必要一定支持异步了。如果一个线程(或进程)阻塞,新建其他线程(或进程)就可以了,程序不会卡死。

但是,多线程有"线程竞争"的问题,处理起来很复杂,还涉及加锁。对于简单的异步任务来说(比如与网页互动),写起来很麻烦。

Python 3.4 引入了 asyncio 模块,增加了异步编程,跟 JavaScript 的async/await 极为类似,大大方便了异步任务的处理。它受到了开发者的欢迎,成为从 Python 2 升级到 Python 3 的主要理由之一。

二、asyncio 的设计

asyncio 模块最大特点就是,只存在一个线程,跟 JavaScript 一样。

由于只有一个线程,就不可能多个任务同时运行。asyncio 是"多任务合作"模式(cooperative multitasking),允许异步任务交出执行权给其他任务,等到其他任务完成,再收回执行权继续往下执行,这跟 JavaScript 也是一样的。

由于代码的执行权在多个任务之间交换,所以看上去好像多个任务同时运行,其实底层只有一个线程,多个任务分享运行时间。

表面上,这是一个不合理的设计,明明有多线程多进程的能力,为什么放着多余的 CPU 核心不用,而只用一个线程呢?但是就像前面说的,单线程简化了很多问题,使得代码逻辑变得简单,写法符合直觉。

asyncio 模块在单线程上启动一个事件循环(event loop),时刻监听新进入循环的事件,加以处理,并不断重复这个过程,直到异步任务结束。事件循环的内部机制,可以参考 JavaScript 的模型,两者是一样的。

三、asyncio API

下面介绍 asyncio 模块最主要的几个API。注意,必须使用 Python 3.7 或更高版本,早期的语法已经变了。

第一步,import 加载 asyncio 模块。


import asyncio

第二步,函数前面加上 async 关键字,就变成了 async 函数。这种函数最大特点是执行可以暂停,交出执行权。


async def main():

第三步,在 async 函数内部的异步任务前面,加上await命令。


await asyncio.sleep(1)

上面代码中,asyncio.sleep(1) 方法可以生成一个异步任务,休眠1秒钟然后结束。

执行引擎遇到await命令,就会在异步任务开始执行之后,暂停当前 async 函数的执行,把执行权交给其他任务。等到异步任务结束,再把执行权交回 async 函数,继续往下执行。

第四步,async.run() 方法加载 async 函数,启动事件循环。


asyncio.run(main())

上面代码中,asyncio.run() 在事件循环上监听 async 函数main的执行。等到 main 执行完了,事件循环才会终止。

四、async 函数的示例

下面是 async 函数的例子,新建一个脚本async.py,代码如下。


#!/usr/bin/env python3
# async.py

import asyncio

async def count():
    print("One")
    await asyncio.sleep(1)
    print("Two")

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

asyncio.run(main())

上面脚本中,在 async 函数main的里面,asyncio.gather() 方法将多个异步任务(三个 count())包装成一个新的异步任务,必须等到内部的多个异步任务都执行结束,这个新的异步任务才会结束。

脚本的运行结果如下。


$ python3 async.py
One
One
One
Two
Two
Two

上面运行结果的原因是,三个 count() 依次执行,打印完 One,就休眠1秒钟,把执行权交给下一个 count(),所以先连续打印出三个 One。等到1秒钟休眠结束,执行权重新交回第一个 count(),开始执行 await 命令下一行的语句,所以会接着打印出三个Two。脚本总的运行时间是1秒。

作为对比,下面是这个例子的同步版本 sync.py


#!/usr/bin/env python3
# sync.py

import time

def count():
    print("One")
    time.sleep(1)
    print("Two")

def main():
    for _ in range(3):
        count()

main()

上面脚本的运行结果如下。


$ python3 sync.py 
One
Two
One
Two
One
Two

上面运行结果的原因是,三个 count() 都是同步执行,必须等到前一个执行完,才能执行后一个。脚本总的运行时间是3秒。

五、实例:pyppeteer 模块

最后是一个异步编程的真实例子:操作无头浏览器。异步编程对代码的简化,在这个例子体现得淋漓尽致。

我们需要用到 pyppeteer 模块,它是无头浏览器 Puppeteer 的 Python 移植,API 跟 JavaScript 版本基本一致。下面是安装命令。


$ python3 -m pip install pyppeteer

然后,写一个网页截图脚本screenshot.py


#!/usr/bin/env python3
# screenshot.py

import asyncio
from pyppeteer import launch

async def main():
    browser = await launch()
    page = await browser.newPage()
    await page.goto('http://example.com')
    await page.screenshot({'path': 'example.png'})
    await browser.close()

asyncio.run(main())

上面代码中,启动浏览器(launch)、打开新 Tab(newPage())、访问网址(page.goto())、截图(page.screenshot())、关闭浏览器(browser.close()),这一系列操作都是异步任务,使用 await 命令写起来非常自然简单。

执行这个脚本,当前目录下就会生成截图文件 example.png


$ python3 screenshot.py

如果脚本执行时报错 No usable sandbox!,可以参考这里。另外,第一次执行这个脚本,会下载安装 Puppeteer,可能需要等待较长时间,但是此后的执行就会很快。

Pyppeteer 的官网还有其他实例,比如向网页注入 JavaScript 代码,大家可以自己试玩。

六、参考链接

(正文完)

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(完)

留言(11条)

ahhh。阮老师是为了发python广告特意写了asyncio的教程?还是顺便接了个广告?

screenshot.py这个例子中,虽然五个步骤可以异步处理,但它们之间明显有前后关系。也可以吗?

祝阮老师能多恰饭,恰更多高质量的饭,恰饱了更有精力和动力分享优质的知识。

引用james的发言:

screenshot.py这个例子中,虽然五个步骤可以异步处理,但它们之间明显有前后关系。也可以吗?

五个步骤会安顺序执行,上一个执行完了在执行下一个,这里没有调用asyncio.gather方法,所以不会节省时间

"下面介绍 asyncio 模块最主要的几个API。注意,必须使用 Python 3.7 或更高版本,早期的语法已经变了。" 这个地方应该是从 Python 3.5 起加入了await, 不是 3.7

引用nodeserver的发言:

五个步骤会安顺序执行,上一个执行完了在执行下一个,这里没有调用asyncio.gather方法,所以不会节省时间


这个栗子说明了什么呢? 比起同步线程有任何优势吗? 还是仅仅为了说明语法。

那几张配图真好看!

引用zhaifg的发言:

"下面介绍 asyncio 模块最主要的几个API。注意,必须使用 Python 3.7 或更高版本,早期的语法已经变了。" 这个地方应该是从 Python 3.5 起加入了await, 不是 3.7

没有说 *await*, asyncio.run() 是3.7 才加上的

主要要自己分辨哪些方法、函数能用asyncio,哪些不能,比如requests就不能用原生asyncio,老司机用起来才会轻车熟路一点

哈哈,虽然带硬广,但对初学者的指导作用还是不错的

引用screamff的发言:

主要要自己分辨哪些方法、函数能用asyncio,哪些不能,比如requests就不能用原生asyncio,老司机用起来才会轻车熟路一点

异步网络请求可以用aiohttp这个库

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