Python: 從 async-await 理解協程的高效世界

在Python編程的領域中，異步處理就像一位高效的時間管理大師，能讓程序在處理IO密集型任務時大幅提升效率。Python 3.5引入的async和await語法糖，讓原本複雜的異步編程變得清晰易懂。接下來，我們就通過日常生活中的例子和簡單代碼，深入理解協程、async/await及asyncio框架的核心概念。

1. 協程是什麼？

想象你來到圖書館，準備度過充實的一天，想一邊查閱資料，一邊完成練習題。

• 進程：就好比整個圖書館，是程序運行的環境，裏面有各種資源和空間供任務開展。

• 線程：像是圖書館裏不同的自習室，每個自習室可以容納不同的人做不同的事，它們相對獨立又共享圖書館的資源。

• 協程：則是你本人，在等資料打印出來（IO 等待）的時間裏，不會幹坐着，而是立刻開始做練習題；當練習題遇到不會的，又切換去看看資料是否打印好。哪件事先有結果（資料打印好了或者做出了一道題）就先處理哪件。這就是協程的核心 —— 在單線程內靈活切換任務，避免因等待IO操作而浪費時間。

協程的關鍵特性：

• 在單線程內執行，任務切換成本極低

• 特別適合處理網絡請求、文件讀寫這類IO密集型任務

• 無法利用多核CPU，處理CPU密集型任務需要搭配多進程

2. 同步 vs 異步

同步執行：

你先去資料室提交打印申請，然後守在打印機旁，直到資料打印完，纔回到座位開始做練習題。整個過程總耗時 = 等資料打印的20分鐘 + 做練習題的30分鐘 = 50分鐘。

異步執行：

你提交打印申請後，不需要一直等着，立刻回到座位開始做練習題。在做題過程中，資料打印好了就去取，取完資料繼續做題。總耗時 = 30分鐘（最長任務時間）。

核心差異：

• 同步：任務按順序依次執行，必須等前一個任務完成才能進行下一個

• 異步：任務啓動後不阻塞後續操作，通過回調或事件通知任務完成

3. async/await 語法實戰

1. 定義異步函數（協程）

import asyncio

# 用async聲明異步函數
async def print_material(duration):
    # await 等待異步操作，不阻塞線程
    await asyncio.sleep(duration)
    print(f"資料已打印好，耗時 {duration} 秒")

2. 執行單個協程

# Python 3.7+ 推薦用法
asyncio.run(print_material(5))  # 輸出：資料已打印好，耗時 5 秒

3. 併發執行多個任務

async def main():
    # 創建多個任務
    task1 = asyncio.create_task(print_material(3))
    task2 = asyncio.create_task(print_material(5))
    task3 = asyncio.create_task(print_material(2))
    
    # 等待所有任務完成
    await asyncio.gather(task1, task2, task3)

asyncio.run(main())
# 輸出（順序不固定）：
# 資料已打印好，耗時 2 秒
# 資料已打印好，耗時 3 秒
# 資料已打印好，耗時 5 秒

重要提示：

await只能用於可等待對象（如asyncio.sleep()），直接使用time.sleep()會阻塞線程asyncio.create_task()用於註冊併發任務，asyncio.gather()可批量等待任務完成

4. 協程 vs 線程

爲何協程更適合IO場景？

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實際案例：

• 下載 1000 張圖片： 協程方案能在單線程內高效完成，線程方案創建大量線程容易導致資源耗盡

• 數據加密計算： 線程配合多進程可以利用多核CPU，協程無法提升計算速度

5. asyncio 框架

asyncio是Python內置的異步框架，它就像一個智能管家，負責管理協程的執行流程，其內部實現異步的原理主要包含以下幾個關鍵部分：

1. 事件循環（Event Loop）

事件循環是 asyncio 的核心，它就像是一個不停運轉的 “調度員”。這個調度員手中有一張任務清單，不斷地檢查清單裏的任務是否有可以執行的。當某個協程遇到await時，就會暫停執行，並把執行權交回事件循環。事件循環會記錄下這個協程暫停的位置，然後去檢查其他任務。一旦await後面的異步操作完成（比如asyncio.sleep()時間結束），事件循環就會把這個協程重新放到任務清單中，等待合適的時機繼續執行。

比如，在前面圖書館的例子中，你在等待資料打印時開始做題，這個 “切換任務” 的動作就像是事件循環在調度。當資料打印好這個事件發生，事件循環就會提醒你去取資料。

import asyncio

asyncdef task1():
    print("任務1開始執行")
    await asyncio.sleep(2)
    print("任務1執行完畢")

asyncdef task2():
    print("任務2開始執行")
    await asyncio.sleep(1)
    print("任務2執行完畢")

asyncdef main():
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task_list = [loop.create_task(task1()), loop.create_task(task2())]
    await asyncio.gather(*task_list)

asyncio.run(main())

在這段代碼中，事件循環loop負責調度task1和task2，根據await asyncio.sleep()的時間，靈活安排任務的執行順序。

2. 任務（Task）和 Future

asyncio.Task是對協程的進一步封裝，它代表一個具體的異步任務。當我們使用asyncio.create_task()創建任務時，實際上是將協程包裝成了一個Task對象，並加入到事件循環的任務隊列中。Task對象有自己的狀態（如 pending、running、done 等），事件循環通過這些狀態來管理任務的執行。

Future則用於表示異步操作的最終結果。當一個協程完成時，會將結果存儲在對應的Future對象中。比如，當一個網絡請求的協程獲取到數據後，數據就會存放在相關的Future裏，其他協程可以通過await這個Future來獲取結果。

3. 回調機制

asyncio支持爲任務添加回調函數。當一個異步任務完成時，事件循環會自動調用預先設置的回調函數。這就好比你點外賣時，設置了外賣送達時的提醒，外賣送到後手機就會觸發提醒（回調函數執行）。

import asyncio

def callback(future):
    print(f"任務結果：{future.result()}")

asyncdef async_task():
    await asyncio.sleep(3)
    return"任務執行成功"

asyncdef main():
    task = asyncio.create_task(async_task())
    task.add_done_callback(callback)
    await task

asyncio.run(main())

在上述代碼中，當async_task執行完畢，callback函數就會被調用，輸出任務的結果。

4. 協程的掛起與恢復

await關鍵字是實現協程掛起和恢復的關鍵。當協程執行到await時，會暫停當前協程的執行，並將控制權交回事件循環。此時，事件循環可以去執行其他可運行的協程。當await後面的操作完成，事件循環會恢復該協程的執行，從暫停的位置繼續運行。這種機制使得在單線程內可以高效地處理多個異步任務，避免了因等待IO而造成的線程阻塞。

核心概念：

• 事件循環（Event Loop）：異步任務的調度中心，不斷檢查任務狀態

• 任務（Task）：對協程的封裝，用於管理執行狀態

• Future：表示異步操作的最終結果，可通過 await 獲取

6. 總結：何時選擇異步協程？

推薦使用場景：

• 大量併發的網絡請求（如網頁爬蟲、API 調用）

• 異步IO操作（數據庫連接、文件讀寫）

• 實時通信（WebSocket、聊天應用）

不適合場景：

• 純CPU計算任務（如數據壓縮、圖像渲染）

• 對執行順序要求嚴格的任務（如金融交易流程）

掌握 async/await 異步編程，能讓你的程序在處理IO密集型任務時效率倍增。無論是開發高併發的網絡應用，還是優化日常腳本，協程都能成爲你的得力助手。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/PlQFlf_pwISAm3ZlDOB18A