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非同步或同步

學習 Python 網頁框架 FastAPI,看到介紹,各種優點「支持異步,性能好,是最快的 Python 網絡框架之一」。

最簡單的 FastAPI 像下面這樣:

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/")
async def root():
    return {"message": "Hello World"}

注意到async def關鍵字,如果用過異步的 Python 庫就很熟悉,這些庫都會告訴你在調用時在前面加上關鍵字await,但是加上後編輯器就會告訴你要在異步函數中使用,於是在def前加上async,然後把鼠標放在await後面函數上,發現返回是一個coroutine的東西,如果像a()一樣直接調用這個異步函數會報錯,需要使用asyncio.run()運行。

異步的代碼能夠告訴程序在其運行的某些時候會「等待」(IO 操作,網絡),沒必要占有 CPU,可以把控制權交給別的任務,等到真的完成後告訴程序運行結果,這樣程序中的其他任務不必都等這個慢任務,也就是不和它同步,也就是說同步是按順序執行,異步是在不同任務之間切換。

在 Python 中,await a()告訴程序不必等待 a () 的執行,a () 自己或者內部的某個時間可被暫停,等到未來某個時候會有返回結果,在 Python 官方文檔中 a () 叫做可等待對象

如果一個對象可以在 await 語句中使用,那麼它就是 可等待 對象
可等待 對象有三種主要類型:協程任務Future

一個 Future 代表一個異步運算的最終結果。線程不安全。

也就是說await後面可以是 coroutine(協程)、task(任務)、Future。

在連續await時候發現還是同步的,因為 await 後面是 coroutine 時候首先把它變成 task,這個asyncio.create_task()是一樣的,await 同時幹了兩件事,導致連續await任務不是同時創建的,這時候使用asyncio.gather()並發運行任務

import asyncio
import time


async def f1():
    print(f'f1--start-{time.time()}')
    await asyncio.sleep(1)
    print(f'f1--end-{time.time()}')


async def f2():
    print(f'f2--start-{time.time()}')
    await asyncio.sleep(1)
    print(f'f2--end-{time.time()}')


async def main():
    await f1()
    await f2()


if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())
f1--start-1681478831.0485213
f1--end-1681478832.0549097
f2--start-1681478832.0549097
f2--end-1681478833.0619018

把 main 函數改成:

async def main():
    await asyncio.gather(f1(), f2())
f1--start-1681478900.615097
f2--start-1681478900.615097
f1--end-1681478901.6200216
f2--end-1681478901.6200216

或者這樣同時創建任務


async def main():
    task1 = asyncio.create_task(f1())
    task2 = asyncio.create_task(f2())
    await task1
    await task2
    #或者 await asyncio.gather(task1, task2)
f1--start-1681479408.9956422
f2--start-1681479408.9956422
f1--end-1681479410.0039244
f2--end-1681479410.0039244

await可以接一個coroutine或者一個task,如果是coroutine,會從它創建一個 task,如果直接連續 await,當調用 f1 時,它會立即開始執行,但是在執行過程中,控制權會立即返回到main()函數中,main()函數會等待f1執行完成後才會繼續執行下一行代碼。然而,在等待f1執行完成的同時,f2並沒有被調用。

如果直接創建 2 個任務沒有加awaitmain() 函數會在創建任務 task1task2 後立即返回,不會等待這兩個任務完成,也就是只有 f1-start 和 f2--start 沒有 end。

異步有很多優點 - 可以在一個線程中處理多個任務,不需要為每個任務創建一個新的線程,節省線程切換的開銷,提高程序的並發性。可以在等待 IO 操作的同時處理其他任務,不會阻塞程序的執行。

異步的意義在於充分利用 CPU,提高程序的效率,因此對於計算密集的程序,異步的意義不大,只會增加複雜性,只有處理大量 IO 操作的場景,如網絡編程、Web 開發等才適用。

看到異步確實好,剛好數據庫操作是 IO 操作,可以用異步在 FastAPI 中使用SQLAlchemy ORM 對象模型映射(字符串拼接大法好)。

為了寫異步的 Python 網頁得選擇提供異步支持的庫aiofiles代替正常文件讀寫,aiomysql+pymysql數據庫引擎對於一個函數如果同步異步效率都一樣,或者說沒有等待(IO)操作,那就寫同步,更容易理解和調試。

SQLAlchemy 異步的坑,使用create_async_engineasync with Session() as session:await session.execute(sql)等而不是常規的創建引擎與會話。

SQLAlchemy 中使用 relationship 可通過一個表對象獲取另一個表中數據,很方便。但在異步代碼中報錯,Traceback 上百行,大量的 await loop send 等關鍵字,開始根本不知道是 relationship 的問題,報錯只會說事件循環提前退出什麼的,單獨把代碼塊拎出來調試,不能直接()調用也很麻煩,最後發現是 relationship 的問題,幹脆不用了,直接手動在多張表中 CRUD,確實麻煩,還容易出錯。

網上 SQLAlchemy 的使用方法有同步的有異步的,但是你並不知道哪個函數是異步的,比如同步中使用的是queryselect,異步中沒有query函數,但是有select,名字是一樣,但是是 SQLAlchemy 的不同路徑導入的,為什麼不看官網(只能說 SQLAlchemy 文檔太亂了,版本之間函數名字,一言難盡)。
由於 SQLAlchemy 2.0 發布時間不長

Release: 2.0.9 | Release Date: April 5, 2023

SQLAlchemy 是支持異步的(從 create_async_engine 函數名看),但文檔不全,還不完善,函數名和同步的一模一樣。

總結異步的缺點:

  1. 複雜性高,異步編程需要使用回調函數、協程、事件循環等一系列概念和技術,學習和使用成本高。
  2. 異步更容易出錯,調試困難。由於異步編程的執行流程比較複雜,調試錯誤比同步編程困難。

異步難點:控制不住自己寫的代碼,因為執行順序不可預料。它壓榨 CPU 時間,讓 CPU 不能閒著。

時間就像海綿裡水一樣,只要你願擠,總還是有。—— 魯迅

參考:

https://fastapi.tiangolo.com/zh/async/#is-concurrency-better-than-parallelism

https://docs.python.org/zh-cn/3/library/asyncio-task.html#coroutines

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