Введение
В постоянно меняющейся сфере разработки программного обеспечения эффективность и производительность имеют первостепенное значение. Python, известный своей простотой и читабельностью, стал очень востребованным языком. Однако по мере того, как разработчики расширяют границы возможностей Python, становится очевидной необходимость в более сложных методах программирования. Именно здесь асинхронное программирование — парадигма, позволяющая одновременно решать несколько задач, — меняет правила игры.
Это подробное руководство предназначено для того, чтобы разгадать сложности асинхронного программирования на Python. Предназначенный как для начинающих, так и для опытных программистов, он призван обеспечить глубокое понимание модели асинхронного программирования и ее практического применения в Python.
Понимание основ
Прежде чем углубляться в тонкости асинхронного программирования на Python, важно получить базовое понимание того, что такое асинхронное программирование и чем оно отличается от традиционного синхронного программирования. Эти знания не только помогут в дальнейшем понять более сложные аспекты asyncio, но и оценить нюансы этой мощной парадигмы программирования.
Что такое асинхронное программирование?
Асинхронное программирование — это парадигма, которая позволяет программе выполнять несколько операций одновременно. Это позволяет инициировать задачи, а затем откладывать их до тех пор, пока не потребуются результаты, позволяя тем временем выполнять другие задачи. Этот подход особенно полезен в ситуациях, связанных с ожиданием внешних ресурсов или длительными вычислениями.
Представьте себе кухню ресторана. При синхронном приготовлении повар выполнял каждую задачу по приготовлению блюда и не может приступать к следующей, пока не закончит предыдущую. При асинхронном приготовлении, пока одно блюдо находится в духовке, повар приступает к приготовлению следующего.
Эволюция асинхронного программирования на Python
Ранние фреймворки, такие как Twisted, обеспечивали основу для асинхронного программирования, но были сложными и требовали длительного обучения. Введение сопрограмм на основе генератора в Python 3.3 упростило асинхронное программирование, что привело к появлению asyncio в Python 3.4. Введение синтаксиса async / await в Python 3.5 еще больше улучшило читаемость и удобство обслуживания кода, что стало значительным шагом вперед в возможностях асинхронного программирования Python.
Синхронное и асинхронное программирование
Основное различие между синхронным и асинхронным программированием заключается в том, как задачи выполняются и управляются. Синхронное программирование простое, но может быть неэффективным, тогда как асинхронное программирование более сложное, но в определенных сценариях значительно более эффективное.
Пример асинхронного кода:
Этот пример иллюстрирует базовое асинхронное программирование на Python с использованием asyncio. Определены две задачи: fetch_data моделировать отложенную операцию ввода-вывода и print_numbers печатать числа с задержкой. Обе задачи выполняются в main функции одновременно. Обратите внимание, как await используется для ожидания завершения операции без блокировки всей программы.
Пример синхронного кода:
В этой синхронной версии программа завершает fetch_data функцию перед запуском print_numbers. Последовательный характер выполнения очевиден, поскольку числа печатаются только после завершения выборки данных.
Лучшие практики и соображения
- Для операций, связанных с вводом-выводом, асинхронное программирование, как правило, является лучшим выбором, поскольку оно предотвращает блокировку программы во время ожидания завершения внешних операций.
- В задачах, связанных с ЦП, где вычисления интенсивны и непрерывны, могут быть предпочтительными традиционные синхронные или многопоточные подходы.
- В асинхронном программировании важно тщательно управлять общими ресурсами, чтобы избежать состояний гонки и обеспечить потокобезопасность.
Краеугольные случаи и проблемы
- Интеграция асинхронного кода с синхронными библиотеками может оказаться сложной задачей, поскольку требует тщательного управления циклом событий.
- Отладка асинхронного кода может быть более сложной из-за нелинейного потока выполнения.
Понимание этих основных принципов асинхронного программирования закладывает прочную основу для изучения более сложных аспектов asyncio в Python. Понимание того, когда и как эффективно использовать асинхронное программирование, имеет решающее значение для разработчиков Python, стремящихся оптимизировать производительность и эффективность своих приложений.
Погружение в Asincio
Asyncio — это библиотека Python, предоставляющая основу для написания параллельного кода с использованием синтаксиса async/await. Он используется преимущественно для написания однопоточных параллельных программ, идеально подходящих для высокоуровневого структурированного сетевого кода, связанного с вводом-выводом.
Понимание цикла событий
Цикл событий — это ядро библиотеки Asyncio. Это программная конструкция, которая ожидает и отправляет события или сообщения в программе. В контексте Asyncio цикл событий запускает асинхронные задачи и обратные вызовы, выполняет сетевые операции ввода-вывода и запускает подпроцессы.
Цикл событий отвечает за управление выполнением асинхронных задач. Он отслеживает все запущенные задачи и, когда операция требует ожидания (например, ожидание ввода-вывода), приостанавливает задачу и возобновляет ее, когда операция может продолжиться.
Как работает цикл событий
- Запуск задач и планирование. Цикл выполняет задачи, которые представляют собой экземпляры сопрограмм, запуск которых запланирован. Когда задача ожидает в будущем, цикл приостанавливает задачу и работает над запуском других задач.
- Обработка событий ввода-вывода и системных событий. Помимо выполнения задач, цикл событий также обрабатывает события ввода-вывода и системные события. Он использует такие механизмы, как select или poll, предоставляемые операционной системой, для мониторинга активности нескольких потоков.
В этом примере main() — сопрограмма. Строка loop.run_until_complete(main()) запускает цикл событий и main сопрограмму. Вызов await asyncio.sleep(1) временно приостанавливает выполнение main сопрограммы, позволяя циклу выполнять другие задачи или обрабатывать события ввода-вывода.
Настройка цикла событий
Asyncio позволяет настраивать поведение цикла событий. Разработчики могут использовать разные политики цикла событий, чтобы изменить цикл событий по умолчанию или настроить его поведение в разных операционных системах.
В этом примере демонстрируется настройка другого цикла событий в зависимости от операционной системы.
Лучшие практики использования цикла событий
- Всегда используйте asyncio.run() для запуска точки входа верхнего уровня для вашей программы. Эта функция создает новый цикл событий, запускает переданную сопрограмму и закрывает цикл.
- Избегайте создания циклов событий и управления ими вручную, если у вас нет особой причины. Это помогает предотвратить распространенные ошибки, такие как создание нескольких циклов событий в однопоточной программе.
Сопрограммы: основа Asyncio
Сопрограммы — это фундаментальные строительные блоки Asyncio. Это специальные функции Python, предназначенные для работы с асинхронными операциями, определенные с помощью async def. В отличие от обычных функций, сопрограммы можно приостанавливать и возобновлять, что позволяет им эффективно обрабатывать неблокирующие операции.
Сопрограмма, объявленная с помощью, async def ничего не делает, пока ее не ждут. Ключевое слово await используется для приостановки выполнения сопрограммы, возвращая управление циклу событий, который затем может перейти к выполнению других задач или обработке операций ввода-вывода. После завершения ожидаемой операции выполнение сопрограммы возобновляется с того места, где оно было остановлено.
В этом примере await asyncio.sleep(2) имитируется неблокирующее ожидание, позволяющее циклу событий управлять другими задачами во время 2-секундной паузы.
Обратите внимание, что простой вызов сопрограммы не запланирует ее выполнение:
Для фактического запуска сопрограммы asyncio предоставляет следующие механизмы:
- Функция asyncio.run() для запуска функции «main()» точки входа верхнего уровня (см. пример выше).
- Ожидание сопрограммы. Следующий фрагмент кода выведет «hello» после ожидания в течение 1 секунды, а затем выведет «world» после ожидания еще в течение 2 секунд:
Ожидаемый результат:
- Функция asyncio.create_task() для одновременного запуска сопрограмм как asyncio Tasks.
- Давайте изменим приведенный выше пример и запустим две сопрограммы одновременно :
Обратите внимание, что ожидаемый результат теперь показывает, что фрагмент выполняется на 1 секунду быстрее, чем раньше:
Класс asyncio.TaskGroup предоставляет более современную альтернативу create_task(). Используя этот API, последний пример будет выглядеть следующим образом:
Время и результат должны быть такими же, как и в предыдущей версии.
Задачи: одновременный запуск сопрограмм
Задачи в Asyncio используются для одновременного планирования сопрограмм. Когда вы создаете задачу, она планирует выполнение сопрограммы: цикл событий может управлять несколькими задачами, запуская их одновременно.
Когда сопрограмма заключена в задачу с такими функциями, как asyncio.create_task(), сопрограмма автоматически запускается в ближайшее время:
Поведение и характеристики
- Параллелизм без потоков. Сопрограммы и задачи обеспечивают параллелизм без необходимости использования традиционных потоков. Этот параллелизм достигается за счет совместной многозадачности, когда каждая задача в определенных await точках передает управление циклу событий.
- Обработка ошибок: ошибки в сопрограммах обрабатываются аналогично обычным функциям Python. Исключения могут вызываться и перехватываться внутри сопрограмм. Если исключение возникает в задаче и не обрабатывается, оно передается вызывающему объекту задачи, когда задача ожидается.
- Отмена : задачи можно отменить, что вызовет asyncio.CancelledError внутри ожидаемой сопрограммы. Это позволяет асинхронно отменять операции, что является критически важной функцией для быстро реагирующих приложений.
В этом примере создается future, и его результат устанавливается с помощью call_soon. Затем в будущем await будет ждать результата.
Future против задач
- Разница: хотя задачи используются для планирования и выполнения сопрограмм, future представляют собой объекты более общего назначения, используемые для представления результата асинхронной операции. Задача на самом деле является подклассом будущего.
- Использование : задачи часто более удобны для рутинного программирования Asyncio, поскольку они специально разработаны для сопрограмм. Futures больше подходят для интеграции с асинхронными операциями нижнего уровня или для взаимодействия с другими асинхронными системами.
Обработка результатов и исключений
- Получение результатов: с помощью метода result() получается результат будущего. Если future не выполнено, вызов result() вызовет InvalidStateError. Если future было отменено, оно вызовет CancelledError.
- Обработка ошибок : если операция, инкапсулированная в будущее, вызывает исключение, будущее фиксирует это исключение. Его можно получить с помощью метода exception().
Этот код демонстрирует установку и обработку исключения в future.
Потоки: обработка сетевых операций
Потоки в Asyncio — это абстракции для обработки сетевых операций ввода-вывода, таких как чтение и запись в сокеты. Они предоставляют высокоуровневый интерфейс для работы с сетевыми коммуникациями, абстрагируя сложности низкоуровневых операций с сокетами.
Компоненты потоков:
- Reader : объект, представляющий читаемую часть соединения. Он предоставляет такие API, как readline, и readexactly для различных операций чтения.
- Writer : объект, представляющий записываемый конец. Он предлагает такие методы, как write и drain для облегчения записи в соединение.
Создание и использование потоков
asyncio.open_connection() обеспечивает установку TCP-соединений, которые возвращают объекты чтения и записи.
В этом примере устанавливается TCP-соединение с сервером, работающим на локальном хосте, через порт 8888. Сообщение «Привет, мир!» отправлено и ожидается ответ.
Обработка серверной части с помощью Stream
asyncio.start_server() используется для запуска сервера. Он принимает сопрограмму обработчика клиента, которая вызывается с объектами чтения и записи каждый раз, когда устанавливается новое клиентское соединение.
Здесь сервер прослушивает локальный хост на порту 8888. Для каждого соединения он считывает данные, печатает их, отправляет их обратно, а затем закрывает соединение.
Функции потоковой передачи и лучшие практики
- Буферизация и управление потоком. Потоки осуществляют внутреннюю буферизацию и управление потоком, что упрощает управление большими или спорадическими потоками данных.
- Обработка ошибок. Правильная обработка ошибок в потоковых операциях имеет большое значение. Всегда закрывайте соединение в случае ошибок или после завершения операции.
- Поддержка SSL/TLS : потоки поддерживают SSL/TLS «из коробки», обеспечивая безопасные соединения с минимальной дополнительной настройкой.
Расширенное использование потоков
Для более сложных сценариев, таких как обработка параллельных соединений или реализация пользовательских протоколов, рассмотрите возможность погружения в конструкции более низкого уровня, такие как транспорты и протоколы, которые предлагают больше контроля, но более сложны в использовании.
Примитивы синхронизации: обеспечение потокобезопасности
Примитивы синхронизации — это инструменты, которые помогают координировать параллельные операции, гарантируя эффективное и безопасное использование ресурсов. В Asyncio они используются в основном для предотвращения гонок за данными и обеспечения потокобезопасных операций при работе с общими ресурсами в асинхронном программировании.
Общие примитивы синхронизации Asyncio
- Блокировка : блокировка используется для обеспечения эксклюзивного доступа к ресурсу. Только одна сопрограмма может одновременно удерживать блокировку. Когда блокировка удерживается, любая другая сопрограмма, пытающаяся ее получить, будет приостановлена до тех пор, пока блокировка не будет снята.
В этом примере показаны две задачи, пытающиеся получить одну и ту же блокировку. Задача «Первая» получает его первой, а задача «Вторая» должна дождаться снятия блокировки.
- Событие : Событие используется для уведомления нескольких сопрограмм о том, что какое-то условие стало истинным. Объект события управляет внутренним флагом, которому можно установить значение true с помощью set() метода и сбросить значение false с помощью clear() метода.
В этом примере сопрограмма waiter ожидает установки события. Событие устанавливается после задержки в одну секунду, и сопрограмма возобновляет работу.
- Семафор : Семафор используется для ограничения количества сопрограмм, которые могут одновременно обращаться к определенному ресурсу. Он инициализируется счетчиком, который уменьшается при получении семафора и увеличивается при его отпускании.
В этом примере показан семафор, позволяющий двум задачам одновременно получать доступ к ресурсу, в то время как третья должна ждать.
Лучшие практики использования примитивов синхронизации
- Избегайте взаимоблокировок . Будьте осторожны с взаимоблокировками, которые могут возникнуть, если сопрограммы циклически ожидают друг друга. Правильное структурирование потока управления и отказ от удержания блокировок в течение длительного времени могут смягчить эту ситуацию.
- Блокировка области действия . Используйте этот async with оператор для управления блокировками, гарантируя, что они всегда будут сняты, даже в случае исключений.
- Отдавайте предпочтение конструкциям более высокого уровня . По возможности используйте примитивы синхронизации высокого уровня, предоставляемые Asyncio, поскольку они предназначены для беспрепятственной работы с циклом событий и сопрограммами.
Расширенные темы в Asyncio
Углубляясь в мир Asyncio, мы сталкиваемся с областью, где основные принципы асинхронного программирования переплетаются с более сложными и мощными функциями этой библиотеки.
.
❤️ Если вам понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на мой канал "Заходи в Ай-Ти".
👍 Если у вас остались вопросы или есть интересные темы, которые вы хотите, чтобы я разобрал, то пишите в комментариях. Ваше мнение очень важно для меня!
.
#бесплатный курс по python #python asyncio #asyncio #asyncio run #asyncio loop #асинхронный python #асинхронные функции python #асинхронное программирование python
