从 asyncio 简单实现看异步是如何工作的

从 asyncio 简单实现看异步是如何工作的

by ipfans

注:请使用 Python 3.5+ 版本运行以下代码。

先从例子看起

首先我们来看一个 socket 通讯的例子,这个例子我们可以在官方 socket 模块的文档中找到部分原型代码:

# echo.py
from socket import *  # 是的,这是一个不好的写法


def echo_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    sock.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
    sock.bind(address)
    sock.listen(5)
    while True:
        client, addr = sock.accept()
        print("connect from", addr)
        echo_handler(client)


def echo_handler(client):
    while True:
        data = client.recv(10000)
        if not data:
            break
        client.send(str.encode("Got: ") + data)
    print("connection closed.")

if __name__ == '__main__':
    echo_server(('', 25000))

但是同步模式会有一个问题,当进行通讯是阻塞的,当一个连接占用时就会阻碍其他连接的继续,这个时候应该怎么更快的运行呢?

回顾历史

在 asyncio 出现之前,我们都是怎么提高效率的呢?首先想到的方法就是多线程处理:

# echo_thread.py
from socket import *
import _thread


def echo_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    sock.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
    sock.bind(address)
    sock.listen(5)
    while True:
        client, addr = sock.accept()
        print("connect from", addr)
        _thread.start_new_thread(echo_handler, (client,))


def echo_handler(client):
    while True:
        data = client.recv(10000)
        if not data:
            break
        client.send(str.encode("Got: ") + data)
    print("connection closed.")

if __name__ == '__main__':
    echo_server(('', 25000))

当然了,我们都知道多线程之下总是会有一些问题的。那么还有更好的方案吗?如果你了解过C10k 问题,你一定听过 epoll```、```kqueue 之类的大名。那么,能在 Python 中使用这些功能吗?答案是肯定的。那就是select

# echo_select.py
from socket import *
import select


def echo_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    sock.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
    sock.bind(address)
    sock.listen(5)
    input = [sock,]
    while True:
        r, _, _ = select.select(input, [], [])
        for s in r:
            if s == sock:
                client, addr = sock.accept()
                print("connect from", addr)
                echo_handler(client)


def echo_handler(client):
    while True:
        data = client.recv(10000)
        if not data:
            break
        client.send(str.encode("Got: ") + data)
    print("connection closed.")

if __name__ == '__main__':
    echo_server(('', 25000))

相比 _thread 来说,select 更加底层,提供了最基础的等待 IO 完成功能。但是缺点是这个功能太单一了,这也就是为什么后面语言提供了 asyncio```。最早应该是 python-dev中 [提出了](https://mail.python.org/pipermail/python-ideas/2012-May/015223.html) 要在标准库中添加基于select的异步 IO 功能。之后 Python 在 3.4 版本之中就加入了 [```selectors](https://docs.python.org/3.5/library/selectors.html) 与 asyncio 库用于异步 IO。

其他的方法还有 geventTwistedTornado 等等的方案,这里就不多赘述了。(在 3.4 的时候我一直觉得 yield form 太丑陋了,相对我宁愿继续用 Tornadoyield 方式。当然这个更加主观的原因吧,不过现在 async/await 方式明显让我又让我爱上了。)

从同步到 asyncio

那么如何在 asyncio 框架下如何实现异步 socket 通讯的例子呢?事实上官方文档中提供了两个比较高层封装过的 asyncio 库例子 TCP echo server protocolTCP echo server using streams。这两个例子采用的是 asynciosocket 通讯高级别封装,似乎与我们同步代码相差有点远。这里我们实际例子中使用了更加底层的Low-level socket operations。这个更接近于我们在同步状态下使用 socket 的代码。

# aecho.py
from socket import *
import asyncio

loop = asyncio.get_event_loop()


async def echo_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    sock.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
    sock.bind(address)
    sock.listen(5)
    sock.setblocking(False) # 设置非阻塞
    while True:
        client, addr = await loop.sock_accept(sock)
        print("connect from", addr)
        loop.create_task(echo_handler(client))


async def echo_handler(client):
    with client:
        while True:
            data = await loop.sock_recv(client, 10000)
            if not data:
                break
            await loop.sock_sendall(client, str.encode("Got: ") + data)
    print("connection closed")

loop.create_task(echo_server(('', 25000)))
loop.run_forever()

其中遇到的 create_task 会相对同步状态下无法对应,这个方法用于安排一个异步任务的执行,将一个异步方法封装为 future 对象。其他的 Event Loop 中的功能基本与传统的程序相同。

从 asyncio 到自己的实现

那么在 asyncio.event_loop 中到底发生了什么呢?我们可以尝试用自己的程序实现一下。

如果你阅读过PEP-0492,你就知道,实际上 Python 的协程是通过生成器实现的。

# async_yield.py
from types import coroutine


@coroutine
def read_wait(sock):
    yield "read_wait", sock  # 为什么有个 read_wait?等下介绍

下面来模拟实际调用:

python -i async_yield.py
>>> f = read_wait("somesocket")
>>> f
<generator object read_wait at 0x10200d5c8>
>>> f.send(None)
('read_wait', 'somesocket')
>>> f.send(None)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration

如果不了解 send()StopIteration 作用的话,请参考 PEP-0492 中相关的描述。

接下来继续完善 write 方法,并且实现我们自己的 Loop

# async_yield.py
from types import coroutine
from collections import deque
from selectors import DefaultSelector, EVENT_READ, EVENT_WRITE


@coroutine
def read_wait(sock):
    yield "read_wait", sock


@coroutine
def write_wait(sock):
    yield "write_wait", sock


class Loop(object):
    def __init__(self):
        self.ready = deque()
        self.selector = DefaultSelector()

    async def sock_recv(self, sock, maxbytes):
        await read_wait(sock)
        return sock.recv(maxbytes)

    async def sock_accept(self, sock):
        await read_wait(sock)
        return sock.accept()

    async def sock_sendall(self, sock, data):
        while data:
            await write_wait(sock)
            n = sock.send(data)
            data = data[n:]

    def create_task(self, coro):
        self.ready.append(coro)

    def run_forever(self):
        while True:
            while not self.ready:
                events = self.selector.select()
                for key, _ in events:
                    self.ready.append(key.data)
                    self.selector.unregister(key.fileobj)
            while self.ready:
                self.current_task = self.ready.popleft()
                try:
                    op, *args = self.current_task.send(None)
                    getattr(self, op)(*args)
                except StopIteration:
                    pass

    def read_wait(self, sock):
        self.selector.register(sock, EVENT_READ, self.current_task)

    def write_wait(self, sock):
        self.selector.register(sock, EVENT_WRITE, self.current_task)

对于之前一节中的 aecho.py 文件,我们只需要修改一下导入模块与 loop 的获取方法即可:

# pecho.py
from socket import *
import async_yield

loop = async_yield.Loop()


async def echo_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    sock.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
    sock.bind(address)
    sock.listen(5)
    sock.setblocking(False)  # 设置非阻塞模式
    while True:
        client, addr = await loop.sock_accept(sock)
        print("connect from", addr)
        loop.create_task(echo_handler(client))


async def echo_handler(client):
    with client:
        while True:
            data = await loop.sock_recv(client, 10000)
            if not data:
                break
            await loop.sock_sendall(client, str.encode("Got: ") + data)
    print("connection closed")

loop.create_task(echo_server(('', 25000)))
loop.run_forever()

async_yield 发生了什么?

首先,我们定义了两个协程函数 read_waitwrite_wait,分别用于相应处理读取操作与写入操作。其中返回了一个 tuple 类型数据,用于在 op, *args = self.current_task.send(None) 中填充方法名和参数,之后在 getattr(self, op)(*args) 中进行分别调用。

下面 Loop 类实现了在 pecho 中用到的所有异步函数。初始化时的 self.ready 用于存储协程的调用序列。该序列通过 create_task 添加协程到队列中。

run_forever 中,如果目前队列为空,则通过 self.selector.select() 提取一个事件放入队列处理,若队列存在通过 self.current_task.send(None) 通知事件发送,从而调用对应的事件功能。你也可以在 op, *args = self.current_task.send(None) 后添加 print(op) 获取实时的调用情况。

结语

事实上这篇文章的思路是基于 @dabeazPython Brasil 上的 keynote 整理而来。dabeaz 还有另外一个非常不错的基于 select 的异步库,名字叫做curio,是一个了解实现异步库的很好教程。

最后讲个段子,之前有人开玩笑,蟒爹开发一个功能,之后大家都不会正确使用,直到 dabeaz 站出来告诉大家如何正确使用新功能。在写这篇文章的时候虽然很想找出来出处,但是似乎找不到了…

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