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

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：

1. 挂起当前协程（暂停执行）。
2. 交出控制权给事件循环，让它去调度其他协程。
3. 等待后面的对象（如sleep或网络请求）返回结果。
4. 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：

1. 协程是单线程并发，靠的是"合作式调度"（自己主动让出 CPU）。
2. async def定义协程，await调度协程。
3. asyncio.gather是并发执行的神器。
4. 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

1. 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）。
2. 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。
3. 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）。

下节预告

Day 40：异步编程 (AsyncIO) 下篇 - aiohttp- 既然不能用requests，那在协程里怎么发网络请求？我们将学习 Python 最强的异步网络库aiohttp，体验每秒几千次请求的快感！

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