Python 非同步程式設計原理篇之新舊協程實現對比

axue001發表於2024-01-16

再來回顧一下協程的發展流程:
python2.5 為生成器引用.send()、.throw()、.close()方法
python3.3 為引入yield from,可以接收返回值,可以使用yield from定義協程
Python3.4 加入了asyncio模組
Python3.5 增加async、await關鍵字,在語法層面的提供支援
python3.7 使用 async def + await 的方式定義協程
python3.10 移除 以 yield from 的方式定義協程

舊協程是指以 yieldyield from等生成器語法為基礎的協程實現
新協程是指以 asyncioasyncawait等關鍵字為基礎的協程實現
兩種協程的實現方式在協程發展史上有一段交集,並且舊協程基於生成器的協程語法讓生成器和協程兩個概念混淆,所以對學習者會造成一定的困擾。本篇主要說明兩種協程的實現方式的差異。

2 | 0 舊協程回顧


舊協程以yield關鍵字為核心,透過yield關鍵提供的程式碼執行暫停、恢復的能力,實現函式交替的執行,cpu的轉讓等能力。

import timedef consume():    r = ''    while True:        n = yield r        print(f'[consumer] 開始消費 {n}...')        time.sleep(1)        r = f'{n} 消費完成'def produce(c):    next(c)    n = 0    while n < 5:        n = n + 1        print(f'[producer] 生產了 {n}...')        r = c.send(n)        print(f'[producer] consumer return: {r}')    c.close()if __name__=='__main__':    c = consume()    produce(c)

執行結果:

[producer] 生產了 1...[consumer] 開始消費 1...[producer] consumer return: 1 消費完成[producer] 生產了 2...[consumer] 開始消費 2...[producer] consumer return: 2 消費完成[producer] 生產了 3...[consumer] 開始消費 3...[producer] consumer return: 3 消費完成[producer] 生產了 4...[consumer] 開始消費 4...[producer] consumer return: 4 消費完成[producer] 生產了 5...[consumer] 開始消費 5...[producer] consumer return: 5 消費完成

結果分析:
當消費者 consume執行到 n = yield r時,流程暫停,將cpu交還給呼叫方 produce

asyncio初識篇中提到過,協程最重要的兩個因素是 事件迴圈任務。用yield實現的協程中, consume和  produce中的 while迴圈共同作用下實現了一個事件迴圈的功能, yield 和  send實現了任務的暫停和繼續執行。

總結來說協程需要的兩個能力 事件迴圈任務暫停和繼續,在舊協程中的實現分別是:

  1. 事件迴圈透過手動編寫while迴圈程式碼實現
  2. 程式碼暫停繼續執行透過yield生成器的能力實現

3 | 0 新協程回顧


新協程是 asyncioasyncawait等關鍵字實現的。新協程是基於事件迴圈機制實現的,核心能力包括事件迴圈,任務,回撥機制等。三者提供的能力分別是

  1. asyncio 提供了事件迴圈
  2. async 提供了協程標識
  3. await 提供了流程掛起能力

import asyncioasync def coro1():    print("start coro1")    await asyncio.sleep(2)    print("end coro1")async def coro2():    print("start coro2")    await asyncio.sleep(1)    print("end coro2")# 建立事件迴圈loop = asyncio.get_event_loop()# 建立任務task1 = loop.create_task(coro1())task2 = loop.create_task(coro2())# 執行協程loop.run_until_complete(asyncio.gather(task1, task2))# 關閉事件迴圈loop.close()

結果

start coro1start coro2end coro2end coro1

結果分析:
coro1執行到  await asyncio.sleep(2)時,流程掛起,將cpu交還給事件迴圈,等待事件迴圈的下一次排程,而事件迴圈排程到 coro2繼續執行。

協程的兩個重要能力 事件迴圈和  任務暫停和繼續 ,分別的實現者:

  1. 事件迴圈透過asyncio提供的loop實現
  2. 程式掛起透過 await 關鍵字實現

4 | 0 新舊協程實現的對比


asyncio 和  yield 是用於實現非同步程式設計的兩種不同的機制。

yield 是一種用於生成器(Generator)函式的關鍵字,用於建立可暫停和恢復執行的函式。當一個函式中包含  yield 語句時,它會返回一個生成器物件,可以透過呼叫生成器的  next() 方法或使用  for 迴圈來逐步迭代生成器函式中的值。

透過使用  yield,我們可以將一個函式分割成多個程式碼塊,並在每個程式碼塊之間進行切換執行。這使得我們可以在函式執行過程中臨時掛起函式的執行,然後再次恢復執行。

asyncio 是 Python 提供的標準庫,用於編寫非同步程式碼。它基於事件迴圈(Event Loop)模式,允許我們在單執行緒中處理多個併發任務,並透過協程(Coroutine)來管理非同步操作。

asyncio 使用了  async 和  await 這兩個關鍵字來定義協程函式。在協程函式中可以使用  await 關鍵字來暫停當前協程的執行,等待某個非同步操作的完成,然後恢復執行。

總結來說:
舊協程:透過 yield關鍵字的暫停和恢復執行的能力實現協程
新協程:透過 事件迴圈機制,await關鍵字掛起流程能力實現協程

5 | 0 await 和 yield 的關係


await 關鍵字和  yield 關鍵字都可以用於控制流的暫停和恢復,都屬於python的關鍵字,但是它們在協程的實現上有所不同。

相同點:

  1. 控制流暫停和恢復:無論是  await 還是  yield,它們都可以使程式碼在某個點暫停執行,並在稍後的時間點繼續執行。
  2. 協程支援await 和  yield 都與協程(Coroutine)密切相關。它們都能夠用於定義和管理協程,使得非同步程式碼的編寫更加簡單和易讀。

區別:

  1. 語法差異await 是 Python 3.5 引入的關鍵字,用於非同步函式中暫停執行等待非同步操作完成。而  yield 是早期協程的關鍵字,主要用於生成器(Generator)函式,用於建立迭代器和實現惰性計算,早期透過生成器的能力來實現協程。
  2. 語義
  • await 表示當前協程需要等待一個非同步操作的完成,並掛起執行,讓其他任務有機會執行。

  • yield 是將執行的控制權交給呼叫方,同時儲存函式的狀態,以便在下次迭代時從上一次暫停的位置恢復執行。

      await將程式掛起,讓事件迴圈排程新的任務。yield將程式掛起,等待呼叫方的下一步指令。
  1. 上下文await 必須在非同步上下文中使用,例如在非同步函式中或者在  async with 塊中。而  yield 可以在普通函式中使用,即使沒有使用協程的上下文。
  2. 返回值yield 返回生成器物件,透過呼叫  next() 方法或使用  for 迴圈逐步迭代生成器中的值。而  await 返回一個可等待物件(Awaitable),它可以是  FutureTaskCoroutine 等。

總結:
await 不是透過 yield 來實現的程式暫停和執行,兩者有相似的能力,但完全沒有呼叫關係,都是屬於python關鍵字。

  • await 適用於非同步程式設計場景,用於等待非同步操作的完成,同時支援更靈活的協程管理。
  • yield 則主要用於生成器函式,用於實現迭代器和惰性計算。

它們在應用場景和語法上存在一些差異,但都為我們提供了控制流的暫停和恢復的能力。

以上就是新舊協程的實現方法,對比了兩種協程的實現方法,比較了yield關鍵字既作為生成器又實現協程有點混淆的用法,比較了都可以暫停恢復的關鍵字yield和await。這些內容是協程原理的核心知識,理解有難度。


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