一、異步編程概述
異步編程是一種並發編程的模式，其關注點是通過調度不同任務之間的執行和等待時間，通過減少處理器的閑置時間來達到減少整個程序的執行時間；異步編程跟同步編程模型最大的不同就是其任務的切換，當遇到一個需要等待長時間執行的任務的時候，我們可以切換到其他的任務執行；
與多線程和多進程編程模型相比，異步編程只是在同一個線程之內的的任務調度，無法充分利用多核CPU的優勢，所以特別適合IO阻塞性任務；
python版本 3.9.5
二、python的異步框架模型
python提供了asyncio模塊來支持異步編程，其中涉及到coroutines、event loops、futures三個重要概念；
event loops主要負責跟蹤和調度所有異步任務，編排具體的某個時間點執行的任務；
coroutines是對具體執行任務的封裝，是一個可以在執行中暫停並切換到event loops執行流程的特殊類型的函數；其一般還需要創建task才能被event loops調度；
futures負責承載coroutines的執行結果，其隨着任務在event loops中的初始化而創建，並隨着任務的執行來記錄任務的執行狀態；
異步編程框架的整個執行過程涉及三者的緊密協作；
首先event loops啟動之后，會從任務隊列獲取第一個要執行的coroutine，並隨之創建對應task和future；
然后隨着task的執行，當遇到coroutine內部需要切換任務的地方，task的執行就會暫停並釋放執行線程給event loop，event loop接着會獲取下一個待執行的coroutine，並進行相關的初始化之后，執行這個task；
隨着event loop執行完隊列中的最后一個coroutine才會切換到第一個coroutine；
隨着task的執行結束，event loops會將task清除出隊列，對應的執行結果會同步到future中，這個過程會持續到所有的task執行結束；
三、順序執行多個可重疊的任務
每個任務執行中間會暫停給定的時間，循序執行的時間就是每個任務執行的時間加和；
import time
def count_down(name, delay):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
time.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-' * 40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -= 1
start = time.perf_counter()
count_down('A', 1)
count_down('B', 0.8)
count_down('C', 0.5)
print('-' * 40)
print('Done')
# ----------------------------------------
# 1.0010 A = 3
# ----------------------------------------
# 2.0019 A = 2
# ----------------------------------------
# 3.0030 A = 1
# ----------------------------------------
# 3.8040 B = 3
# ----------------------------------------
# 4.6050 B = 2
# ----------------------------------------
# 5.4059 B = 1
# ----------------------------------------
# 5.9065 C = 3
# ----------------------------------------
# 6.4072 C = 2
# ----------------------------------------
# 6.9078 C = 1
# ----------------------------------------
# Done
四、異步化同步代碼
python在語法上提供了async、await兩個關鍵字來簡化將同步代碼修改為異步；
async使用在函數的def關鍵字前邊，標記這是一個coroutine函數；
await用在conroutine里邊，用於標記需要暫停釋放執行流程給event loops；
await 后邊的表達式需要返回waitable的對象，例如conroutine、task、future等；
asyncio模塊主要提供了操作event loop的方式；
我們可以通過async將count_down標記為coroutine，然后使用await和asyncio.sleep來實現異步的暫停，從而將控制權交給event loop；
async def count_down(name, delay, start):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
await asyncio.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-' * 40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -= 1
我們定義一個異步的main方法，主要完成task的創建和等待任務執行結束；
async def main():
start = time.perf_counter()
tasks = [asyncio.create_task(count_down(name,delay,start)) for name, delay in [('A', 1),('B', 0.8),('C', 0.5)]]
await asyncio.wait(tasks)
print('-' * 40)
print('Done')
執行我們可以看到時間已經變為了執行時間最長的任務的時間了；
asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5010 C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8016 B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0011 A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0013 C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5021 C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6026 B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0025 A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4042 B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0038 A = 1
# ----------------------------------------
# Done
五、使用多線程克服具體任務的異步限制
異步編程要求具體的任務必須是coroutine，也就是要求方法是異步的，否則只有任務執行完了，才能將控制權釋放給event loop；
python中的concurent.futures提供了ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor，可以直接在異步編程中使用，從而可以在單獨的線程或者進程至今任務；
import time
import asyncio
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
def count_down(name, delay, start):
indents = (ord(name) - ord('A')) * '\t'
n = 3
while n:
time.sleep(delay)
duration = time.perf_counter() - start
print('-'*40)
print(f'{duration:.4f} \t{indents}{name} = {n}')
n -=1
async def main():
start = time.perf_counter()
loop = asyncio.get_running_loop()
executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=3)
fs = [
loop.run_in_executor(executor, count_down, *args) for args in [('A', 1, start), ('B', 0.8, start), ('C', 0.5, start)]
]
await asyncio.wait(fs)
print('-'*40)
print('Done.')
asyncio.run(main())
# ----------------------------------------
# 0.5087 C = 3
# ----------------------------------------
# 0.8196 B = 3
# ----------------------------------------
# 1.0073 A = 3
# ----------------------------------------
# 1.0234 C = 2
# ----------------------------------------
# 1.5350 C = 1
# ----------------------------------------
# 1.6303 B = 2
# ----------------------------------------
# 2.0193 A = 2
# ----------------------------------------
# 2.4406 B = 1
# ----------------------------------------
# 3.0210 A = 1
# ----------------------------------------
# Done.