从头造轮子：python3 asyncio之 run_until_complete （1）

前言

今天开始聊一聊python3的asyncio。关于asyncio，大家肯定都有自己的理解，并且网上大神也把基础概念也解释的比较透彻。
本文写作的初衷，主要是理解asyncio的原理并且实现一遍。
话不多说，我们开始！

一、知识准备

● 理解进程、线程、协程。简单来说，这三个都是为了解决多任务同时进行的问题
  1）进程是操作资源分配的最小单位，多任务的实现主要是极快地在进程间来回切换，而进程切换消耗时间最长（系统调用）
  2）线程依赖于进程，多个线程共享了父进程的一部分资源，线程切换时间相对于进程来说消耗时间大大减少，但是由于python gil的存在，并不存在多线程（系统调用）
  3）协程依赖于线程，由于进程/线程切换都是系统调用，开销是巨大的。而协程是在用户空间内完成任务切换，不会切换到操作系统资源（寄存器、信号量、堆栈等），所以这种方式开销最小。python的协程核心在于，遇到等待事件，就交出cpu控制权，转而让其他协程执行


● 理解python生成器，yield/yield from
  这里就不班门弄斧了，直接推荐大佬的blog


● 理解关键字async/await，async/await是3.5之后的语法，和yield/yield from异曲同工

二、环境准备

组件	版本
python	3.7.7

三、run_until_complete的实现

先来看下官方asyncio的使用方法：

|># more main.py
import asyncio
async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'world'

if __name__ == "__main__":
    loop = asyncio.get_event_loop()
    task = loop.create_task(hello())
    rst = loop.run_until_complete(task)
    print(rst)
    
|># python3 main.py
enter hello ...
world

来看下造的轮子的使用方式：

▶ more main.py
from wilsonasyncio import get_event_loop
async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'world'


if __name__ == "__main__":
    loop = get_event_loop()
    task = loop.create_task(hello())
    rst = loop.run_until_complete(task)
    print(rst)
    
▶ python3 main.py
enter hello ...
world

自己造的轮子也很好的运行了，下面我们来看下轮子的代码

四、代码解析

轮子代码

1）代码组成

|># tree
.
├── eventloops.py 
├── futures.py
├── main.py
├── tasks.py
├── wilsonasyncio.py

文件	作用
eventloops.py	事件循环
futures.py	futures对象
tasks.py	tasks对象
wilsonasyncio.py	可调用方法集合
main.py	入口

2）代码概览：

eventloops.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Eventloop			事件循环，一个线程只有运行一个
	__init__		初始化两个重要对象 self._ready 与 self._stopping
		self._ready	所有的待执行任务都是从这个队列取出来，非常重要
		self._stopping	事件循环完成的标志
	call_soon		调用该方法会立即将任务添加到待执行队列
	run_once		被run_forever调用，从self._ready队列里面取出任务执行
	run_forever		死循环，若self._stopping则退出循环
	run_until_complete		非常重要的函数，任务的起点和终点（后面详细介绍）
	create_task		将传入的函数封装成task对象，这个操作会将task.__step添加到__ready队列
Handle			所有的任务进入待执行队列（Eventloop.call_soon）之前都会封装成Handle对象
	__init__		初始化两个重要对象 self._callback 与 self._args
		self._callback	待执行函数主体
		self._args	待执行函数参数
	_run		待执行函数执行
get_event_loop			获取当前线程的事件循环
_complete_eventloop			将事件循环的_stopping标志置位True

tasks.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Task			继承自Future，主要用于整个协程运行的周期
	__init__		初始化对象 self._coro ，并且call_soon将self.__step加入self._ready队列
		self._coro	用户定义的函数主体
	__step		Task类的核心函数

futures.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Future			主要负责与用户函数进行交互
	__init__		初始化两个重要对象 self._loop 与 self._callbacks
		self._loop	事件循环
		self._callbacks	回调队列，任务暂存队列，等待时机成熟（状态不是PENDING），就会进入_ready队列
	add_done_callback		添加任务回调函数，状态_PENDING，就虎进入_callbacks队列，否则进入_ready队列
	set_result		获取任务执行结果并存储至_result，将状态置位_FINISH，调用__schedule_callbacks
	__schedule_callbacks		将回调函数放入_ready，等待执行
	result		获取返回值

3）执行过程

3.1）入口函数

main.py

async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'world'

if __name__ == "__main__":
    loop = get_event_loop()
    task = loop.create_task(hello())
    rst = loop.run_until_complete(task)
    print(rst)

• loop = get_event_loop()获取事件循环
• task = loop.create_task(hello())将用户函数hello()封装成协程，我们看下create_task的源码

    def create_task(self, coro):
        task = tasks.Task(coro, loop=self)
        return task

    初始化一个Task对象，从代码概览得知，初始化对象之后会立即将__step添加到_ready队列等待执行

• rst = loop.run_until_complete(task)开始执行事件循环的第一个函数run_until_complete

3.2）事件循环启动

eventloops.py

    def run_until_complete(self, future):
        future.add_done_callback(_complete_eventloop, future)
        self.run_forever()
        return future.result()

• future.add_done_callback(_complete_eventloop, future)为future添加回调函数（future就是task对象，而task对象里的任务就是hello() ），回调函数是_complete_eventloop 。就是future执行完成之后执行_complete_eventloop
• self.run_forever()启动事件循环

3.3）第一次循环run_forever --> run_once

eventloops.py

    def run_once(self):
        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()

• 将_ready队列的内容（task.__step）取出来执行

tasks.py

    def __step(self, exc=None):
        coro = self._coro
        try:
            if exc is None:
                coro.send(None)
            else:
                coro.throw(exc)
        except StopIteration as exc:
            super().set_result(exc.value)
        finally:
            self = None

• coro.send(None)核心代码，跳转回到用户函数hello()

main.py

async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'world'

• 用户函数非常简单，打印一行数据，以及返回一个字符串world，执行完成之后回到task.__step()
• super().set_result(exc.value)由于用户函数执行完成，会抛出异常StopIteration，捕获之后执行set_result
• 由代码概览得知set_result 的作用在于将任务状态置位_FINISHED，并且将回调函数（_complete_eventloop ）写入_ready队列

3.4）第二次循环run_forever --> run_once

eventloops.py

    def run_once(self):
        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()

• 继续循环，handle封装了_complete_eventloop

def _complete_eventloop(fut):
    fut._loop.stop()

• 调用stop，设置停止标志

3.5）第三次循环run_forever

    def run_forever(self):
        while True:
            self.run_once() 
            if self._stopping:
                break

• 跳出事件循环，回到run_until_complete

    def run_until_complete(self, future):
        future.add_done_callback(_complete_eventloop, future)
        self.run_forever()
        return future.result()

3.6）回到主函数，获取返回值

if __name__ == "__main__":
    loop = get_event_loop()
    task = loop.create_task(hello())
    rst = loop.run_until_complete(task)
    print(rst)

• rst = loop.run_until_complete(task)获取返回值

3.7）执行结果

▶ python3 main.py
enter hello ...
return world ...

五、流程总结

六、小结

● task对象与future有什么区别？主要用于整个协程运行的周期，主要负责与用户函数进行交互
● 本文从asyncio的第一个函数run_until_complete，介绍了asyncio的基本流程：用户函数并不是立即执行，而是进入队列，然后根据eventloop在合适的时机进行统一调度
● 本文中的代码，参考了python 3.7.7中asyncio的源代码，裁剪而来
● 本文中代码：代码

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至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教...