Python 异步编程

并发模型

了解异步，目前大概有以下并发模型

OS 线程：即我们常说的多线程

事件驱动模型：似乎就是利用回调函数

异步协程：今天的内容

区别

异步：目标是用"单线程"处理多任务，避免 IO 等待浪费 CPU

协程：协程是实现异步编程的一种高效技术手段

异步 和 多线程 是两个概念

异步： I/O 密集型场景（网络请求、文件读写）

多进程/多线程：CPU 密集型任务（如科学计算，视频编解码）

有这样一个场景：

当厨师需要煮肉时，他开始煮，就不要等着了，而是去炒菜，节约时间，等肉煮好，再去取肉

这个场景的关键是：

肉可以被锅来煮，而不是你来煮

肉就是 “网络请求、文件读写”

如果是网络请求，那肉就是陈皮，只需要等着，文件读写，这是一个确定的事情

这些操作，都可以让操作系统代为完成，所以它可以异步

如果你的肉，是科学计算，那你的肉只能自己来煮，系统不知道你想煮成什么样子

所以异步编程的本质：

本质上，还是有多个线程

你单独自己一个线程，你调用 fopen，只是 C 库帮你封装了系统 API，比如 ReadFile，到时候是你的程序陷入内核态，你自己去读文件，你这个时候只能读文件，你回不到你的用户态去做下一步

异步，只是这些高级语言，或者高级库。它们把系统线程封装好了

在你的视角下，你永远只管你自己，当读写时，你只需告诉库，你需要进行读写，库/语言会让操作系统去读，读完了告诉你，因此操作系统（可能）会启动另一个系统线程（这比你自己用多线程启动一个用户线程去读更快），来帮你读，你不占用 CPU，但是系统线程占用 CPU 来读（如果是网络，就等着）

你只需要写 async/await，感觉所有事情在一个线程里发生。但最终都是由硬件并行处理的，你的 CPU 线程不需要参与等待。

为什么说"单线程"？

因为控制流是单线程的：

1. 你写的所有 async 函数都在同一个线程里执行
2. 执行权通过 await 显式传递
3. 没有数据竞争问题（不需要锁）
4. 代码顺序容易理解

即使底层使用了线程池，从你的代码视角看，还是逻辑上的单线程。

以前的解决方案是 C/C++：

核心思想是：

“当异步操作完成时，系统自动调用你预先注册的函数”。

这导致很多问题：

1、难以看到堆栈 2、控制流不好管理 3、生命周期不好管理

Python 异步

Python 3.5+：async 和 await 作为关键字正式引入

简单理解：

async 这个基本上是放在 def （函数声明）前面

而 await 是放在执行时间不确定的函数调用前面

如果你想理解 Python 的异步，则必须先了解协程

协程 Coroutine，实际上是一个线程。

假设在炒菜，多线程是雇佣多个厨师，但是厨师之间因为灶台的竞争而打架，需要加锁，并由操作系统来协调，这样开销很大

而协程，则是由一个厨师完成。当厨师需要煮肉时，他开始煮，就不要等着了，而是去炒菜，节约时间

在单个线程中实现高并发（Concurrency），尤其是处理 I/O 密集型任务（如网络请求、读写文件）

而协程在等待时，它只会“暂停”（await），并立即把执行权让给同一个线程中的其他协程。

这个线程（厨师）从头到尾都在忙碌，CPU 利用率极高。

C++ 类比

async def ≈ C++20 的 coroutine 函数

而不是 C++ 11 thread 那一套

线程同步复杂 （锁/条件变量）

协程写法接近同步代码

返回值问题：

当一个 async 函数被调用，返回的是一个“协程对象”，你可以理解为一个承诺

async def my_function():
    return "Hello, World!"
# 调用 async 函数
result = my_process()  # 这不会执行函数，而是返回一个协程对象
print(type(result))    # <class 'coroutine'>
print(result)          # <coroutine object my_function at 0x...>

只能在 async def 函数内部使用 await

await 的使用会“逐层向外传递”

async def task1():
    print("开始任务 1")
    time.sleep(2)  # 这里会阻塞整个事件循环！
    await asyncio.sleep(2) # 这里让出控制权，其他协程可以运行
    print("完成任务 1")
    return "任务 1 结果"

这个是不一样的。

一个是自己去睡，一个是自己没睡，让别人睡，过一会他醒了告诉自己他已经起床

前者相当于是 视频编解码，后者才是 网络请求

当然，这些异步编程库里大多都有线程池，所以你的自己睡，也可以封装为别人睡

并发并行

异步 = 并发，一般网络服务器都说并发量很大

多线程，如果是一个 CPU 模拟的，则是并发，如果是多个核心，则是并行

web 服务器不使用每个请求一个线程，是因为请求量很大了，线程太重量级了，而且线程需要管理锁的问题