Day 39：【99天精通Python】异步编程 (AsyncIO) 上篇

Day 39：【99天精通Python】异步编程 (AsyncIO) 上篇 - 协程的魔法

前言

欢迎来到第39天！

在前面的课程中，我们学习了多线程。线程虽然好用，但它是由操作系统负责调度的。操作系统很忙，它要在几千个线程之间来回切换（Context Switch），这需要消耗不少资源。当并发量达到上万级别时，线程切换的开销就会拖垮系统。

协程 (Coroutine)是一种比线程更轻量级的存在。

线程：操作系统决定什么时候切换，你无法控制。
协程：程序自己决定什么时候切换（“我等数据的时候，你先干别的”）。

Python 3.4 引入了asyncio库，Python 3.5 引入了async和await关键字，标志着 Python 进入了原生异步编程时代。这是高性能网络服务器（如 FastAPI, Tornado）的基石。

本节内容：

同步 (Sync) vs 异步 (Async)
async与await关键字
事件循环 (Event Loop)
运行协程：asyncio.run()
并发执行：asyncio.gather()
实战：体验"光速"睡眠

一、同步 vs 异步

1.1 同步 (Synchronous)

代码从上到下依次执行。如果第一行卡住了（比如下载文件），第二行就得干等。

importtimedeftask(name):time.sleep(1)# 阻塞 1 秒print(f"{name}完成")task("A")task("B")# 总耗时: 2 秒

1.2 异步 (Asynchronous)

当第一行卡住（等待 I/O）时，程序会自动挂起它，去执行第二行。等第一行结果回来了，再恢复执行。

# 伪代码逻辑awaittask("A")# 你先下着，我去干别的awaittask("B")# 你也下着# 总耗时: 约 1 秒 (因为是同时等的)

二、Hello AsyncIO

2.1 定义协程 (async def)

使用async def定义的函数不再是普通函数，而是一个协程函数。调用它不会立即执行，而是返回一个协程对象。

importasyncioasyncdefsay_hello():print("Hello")return"World"# 直接调用不会执行打印！# coroutine = say_hello()# print(coroutine) # <coroutine object ...>

2.2 运行协程 (asyncio.run)

要让协程跑起来，必须把它扔进事件循环 (Event Loop)。
Python 3.7+ 提供了最简单的入口：asyncio.run()。

importasyncioasyncdefmain():print("开始")# await 后面必须跟一个可等待对象 (Coroutine, Task, Future)# 这里不能用 time.sleep，要用 asyncio.sleepawaitasyncio.sleep(1)print("结束")if__name__=='__main__':asyncio.run(main())

注意：asyncio.sleep(1)是非阻塞的睡眠，而time.sleep(1)是阻塞的。在协程中千万别用time.sleep，否则整个程序都会卡死！

三、并发执行：asyncio.gather

如果我们按顺序写两个await，它们还是串行的。

asyncdefmain():awaittask(1)# 等它做完awaittask(2)# 再做这个# 依然是串行，没体现出异步优势

要实现并发，我们需要告诉事件循环：“把这几个任务一起安排了！”。使用asyncio.gather()。

实战对比：同步 vs 异步

我们模拟烤面包（2秒）和煮咖啡（3秒）。

importasyncioimporttime# --- 异步任务 ---asyncdefmake_toast():print("开始烤面包...")awaitasyncio.sleep(2)# 模拟耗时 I/Oprint("面包烤好了！")return"Toast"asyncdefmake_coffee():print("开始煮咖啡...")awaitasyncio.sleep(3)print("咖啡煮好了！")return"Coffee"asyncdefmain():start=time.time()print("--- 早餐开始 ---")# 并发执行两个任务# gather 会等待所有任务完成，并按顺序返回结果列表results=awaitasyncio.gather(make_toast(),make_coffee())end=time.time()print(f"--- 早餐结束，耗时:{end-start:.2f}秒 ---")print(f"结果:{results}")if__name__=='__main__':asyncio.run(main())

运行结果：

--- 早餐开始 --- 开始烤面包... 开始煮咖啡... (过了2秒) 面包烤好了！ (又过1秒) 咖啡煮好了！ --- 早餐结束，耗时: 3.01 秒 --- 结果: ['Toast', 'Coffee']

如果用同步方式，需要 2+3=5 秒。异步方式只用了 3 秒（取决于最长的那个任务）。

四、深入理解：await 到底在干嘛？

await关键字的作用是：

挂起当前协程（暂停执行）。
交出控制权给事件循环，让它去调度其他协程。
等待后面的对象（如sleep或网络请求）返回结果。
恢复执行。

这就像你在餐厅点菜：

await 点菜()：你告诉服务员要什么，服务员去厨房下单（交出控制权）。
服务员去服务其他桌的客人（调度其他任务）。
厨房做好了（IO完成），服务员把菜端给你（恢复执行）。

五、常见的坑 (必看)

坑1：在协程里写了阻塞代码

这是新手最容易犯的错。

asyncdefbad_coroutine():print("开始")# time.sleep 是阻塞的！它会霸占 CPU，不让出控制权。# 导致整个线程卡住，其他协程也跑不了。importtime time.sleep(5)print("结束")

原则：在async def函数里，所有耗时操作都必须是异步的（支持await的），比如asyncio.sleep，或者异步库（aiohttp,aiomysql）。不能用普通的requests,time.sleep。

坑2：忘记写 await

asyncdefmain():# 这样写只会创建一个协程对象，但不会执行它！# RuntimeWarning: coroutine 'xxx' was never awaitedasyncio.sleep(1)# 正确写法awaitasyncio.sleep(1)

六、小结

关键要点：

协程是单线程并发，靠的是"合作式调度"（自己主动让出 CPU）。
async def定义协程，await调度协程。
asyncio.gather是并发执行的神器。
千万别在协程里用阻塞代码（如time.sleep,requests），否则一核有难，八核围观。

七、课后作业

异步倒计时：编写一个协程countdown(name, n)，每秒打印一次倒计时（n, n-1, … 1）。并发运行 3 个倒计时任务（比如 "A"倒数3秒，"B"倒数5秒）。
效率对比：编写一个普通的函数sync_cal()（使用time.sleep(1)）和一个协程async_cal()（使用asyncio.sleep(1)）。分别循环调用它们 5 次（同步循环 vsgather并发），对比总耗时。
思考题：为什么计算密集型任务（如算圆周率）不适合用asyncio？（提示：回顾一下 GIL 和单线程的本质）。