Python 异步编程入门

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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

Async IO in Python: A Complete Walkthrough, Brad Solomon

（正文完）

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