Python 协程入门到实践
Python 协程是实现异步编程的一种重要机制。它能够在单线程中实现并发操作，避免了线程的切换开销，适用于 I/O 密集型任务。Python 的协程主要通过 asyncio 模块来管理，结合 async 和 await 关键字，可以让代码在等待 I/O 操作时不阻塞其他任务。
什么是协程？
协程是一种特殊的函数，它能够在执行过程中暂停，并在未来某个时间恢复执行。协程函数由 async def 定义，调用时返回一个协程对象。
协程的基本特性
- 异步执行：协程可以在等待 I/O 操作时释放控制权，让其他任务运行。
- 协作式多任务：协程通过
await 关键字主动让出控制权，执行其他任务，减少了上下文切换的开销。
协程的创建与使用
创建协程函数
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import asyncio
async def say_hello():
print("Hello, World!")
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执行协程
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asyncio.run(say_hello())
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在这段代码中，asyncio.run 会运行一个事件循环并执行协程。
异步 I/O 操作
协程的主要用途是执行异步 I/O 操作，通常涉及到网络请求、文件读取等任务。使用 await 可以等待一个耗时操作完成而不阻塞其他任务。
异步IO实例
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| import asyncio
async def fetch_data():
print("开始获取数据...")
await asyncio.sleep(2)
print("数据获取完毕")
return "数据内容"
async def main():
print("任务开始")
data = await fetch_data()
print(f"获取到的数据: {data}")
asyncio.run(main())
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在这个例子中，fetch_data 是一个模拟异步 I/O 操作的协程，它通过 await asyncio.sleep(2) 来模拟等待网络请求的时间。
输出：
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任务开始
开始获取数据...
数据获取完毕
获取到的数据: 数据内容
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注意到，尽管 fetch_data 内部有 await 操作，main 协程会等到 fetch_data 完成之后才继续执行。
协程任务并发执行
如果你需要同时执行多个协程任务，可以使用 asyncio.gather 来并发执行多个协程。
多个协程并发执行
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| import asyncio
async def task_1():
await asyncio.sleep(1)
print("任务 1 完成")
async def task_2():
await asyncio.sleep(2)
print("任务 2 完成")
async def main():
await asyncio.gather(task_1(), task_2())
asyncio.run(main())
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这里，task_1 和 task_2 被并发执行。asyncio.gather 会等待所有任务完成。
输出：
虽然 task_2 花费了 2 秒，而 task_1 只花费了 1 秒，但由于是并发执行的，最终任务只花费了 2 秒。
异常处理
在协程中，如果某个任务出现异常，通常会被 try…except 语句捕获。但需要注意的是，异常处理可能会影响到其他并发执行的任务。
协程中的异常处理
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| import asyncio
async def task_with_exception():
await asyncio.sleep(1)
raise Exception("任务发生了异常")
async def main():
try:
await asyncio.gather(task_with_exception())
except Exception as e:
print(f"捕获到异常: {e}")
asyncio.run(main())
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输出：
在并发任务中，如果发生异常，可以通过 asyncio.gather 的 return_exceptions=True 参数来忽略异常，继续执行其他任务。
捕获所有异常
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| import asyncio
async def task_with_exception():
await asyncio.sleep(1)
raise Exception("任务发生了异常")
async def main():
result = await asyncio.gather(
task_with_exception(),
return_exceptions=True
)
print(result)
asyncio.run(main())
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输出：
asyncio.gather 将会返回一个包含所有任务结果的列表，若任务有异常，则返回异常对象。
进阶示例：模拟 HTTP 请求
我们可以使用协程来模拟异步的 HTTP 请求，利用 aiohttp 库来实现。
使用 aiohttp 实现并发 HTTP 请求
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| import aiohttp
import asyncio
async def fetch_url(url):
async with aiohttp.ClientSession() as session:
async with session.get(url) as response:
print(f"读取 {url} 完成，状态码: {response.status}")
return await response.text()
async def main():
urls = [
'https://www.baidu.com',
'https://www.python.org',
'https://www.github.com',
]
tasks = [fetch_url(url) for url in urls]
await asyncio.gather(*tasks)
asyncio.run(main())
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这个例子中，我们使用 aiohttp 库发送 HTTP GET 请求，并且使用 asyncio.gather 来并发地执行多个请求。
总结
1.协程 是实现异步 I/O 操作的一种方法，通过 async 和 await 可以让程序在等待某些操作时不会阻塞，达到高效执行的目的。
2.asyncio 模块 提供了事件循环和任务调度的机制，使得协程可以方便地并发执行。
3.asyncio.gather 可以用于并发多个任务，await 用来等待任务的完成。
4.协程不仅可以提升性能，还能使代码更加简洁与易于理解，尤其是在面对大量 I/O 密集型任务时。