AsyncIO Įvykių Ciklas: Korutinų Planavimas ir Užduočių Valdymas

Asinchroninis programavimas tapo vis svarbesnis šiuolaikinėje programinės įrangos kūrime, leidžiantis programoms vienu metu atlikti kelias užduotis, neblokuojant pagrindinės gijos. Python asyncio biblioteka suteikia galingą sistemą asinchroniniam kodui rašyti, paremtą įvykių ciklo koncepcija. Supratimas, kaip įvykių ciklas planuoja korutinas ir valdo užduotis, yra labai svarbus kuriant efektyvias ir mastelį keičiančias asinchronines programas.

AsyncIO Įvykių Ciklo Supratimas

asyncio pagrindas yra įvykių ciklas. Tai vienos gijos, vieno proceso mechanizmas, kuris valdo ir vykdo asinchronines užduotis. Galima jį įsivaizduoti kaip centrinį dispečerį, kuris organizuoja skirtingų jūsų kodo dalių vykdymą. Įvykių ciklas nuolat stebi užregistruotas asinchronines operacijas ir vykdo jas, kai jos yra pasirengusios.

Pagrindinės Įvykių Ciklo Atsakomybės:

• Korutinų Planavimas: Nustatymas, kada ir kaip vykdyti korutinas.
• Įvesties/Išvesties Operacijų Tvarkymas: Lizdų, failų ir kitų Į/I resursų stebėjimas dėl pasirengimo.
• Atgalinių Iškvietimų (Callbacks) Vykdymas: Funkcijų, kurios buvo užregistruotos vykdyti tam tikru laiku arba po tam tikrų įvykių, iškvietimas.
• Užduočių Valdymas: Asinchroninių užduočių kūrimas, valdymas ir eigos sekimas.

Korutinos: Asinchroninio Kodo Statybiniai Blokai

Korutinos yra specialios funkcijos, kurias galima sustabdyti ir atnaujinti tam tikruose jų vykdymo taškuose. Python kalboje korutinos apibrėžiamos naudojant async ir await raktažodžius. Kai korutina susiduria su await teiginiu, ji grąžina valdymą įvykių ciklui, leisdama veikti kitoms korutinoms. Šis kooperatyvus daugiafunkcinis metodas leidžia efektyvų konkurentiškumą be gijų ar procesų pridėtinių išlaidų.

Korutinų Apibrėžimas ir Naudojimas:

Korutina apibrėžiama naudojant async raktažodį:

async def my_coroutine():
  print("Korutina paleista")
  await asyncio.sleep(1)  # Imituojama nuo I/O priklausoma operacija
  print("Korutina baigta")

Norint įvykdyti korutiną, ją reikia suplanuoti įvykių cikle naudojant asyncio.run(), loop.run_until_complete() arba sukuriant užduotį (daugiau apie užduotis vėliau):

async def main():
  await my_coroutine()

asyncio.run(main())

Korutinų Planavimas: Kaip Įvykių Ciklas Pasirenka, Ką Vykdyti

Įvykių ciklas naudoja planavimo algoritmą, kad nuspręstų, kurią korutiną vykdyti toliau. Šis algoritmas paprastai grindžiamas sąžiningumu ir prioritetu. Kai korutina grąžina valdymą, įvykių ciklas pasirenka kitą paruoštą korutiną iš savo eilės ir atnaujina jos vykdymą.

Kooperatyvus Daugiafunkciškumas:

asyncio remiasi kooperatyviu daugiafunkciškumu, o tai reiškia, kad korutinos turi aiškiai grąžinti valdymą įvykių ciklui naudojant await raktažodį. Jei korutina negrąžina valdymo ilgesnį laiką, ji gali užblokuoti įvykių ciklą ir neleisti veikti kitoms korutinoms. Būtent todėl labai svarbu užtikrinti, kad jūsų korutinos veiktų tinkamai ir dažnai grąžintų valdymą, ypač atliekant nuo I/O priklausomas operacijas.

Planavimo Strategijos:

Įvykių ciklas paprastai naudoja „pirmas įėjo, pirmas išėjo“ (FIFO) planavimo strategiją. Tačiau jis taip pat gali teikti pirmenybę korutinoms pagal jų skubumą ar svarbą. Kai kurios asyncio implementacijos leidžia pritaikyti planavimo algoritmą pagal jūsų specifinius poreikius.

Užduočių Valdymas: Korutinų Apgaubimas Konkurentiškumui

Nors korutinos apibrėžia asinchronines operacijas, užduotys atspindi faktinį tų operacijų vykdymą įvykių cikle. Užduotis yra korutinos apvalkalas, suteikiantis papildomų funkcijų, tokių kaip atšaukimas, išimčių tvarkymas ir rezultato gavimas. Užduotis valdo įvykių ciklas ir jos yra planuojamos vykdyti.

Užduočių Kūrimas:

Užduotį iš korutinos galite sukurti naudodami asyncio.create_task():

async def my_coroutine():
  await asyncio.sleep(1)
  return "Rezultatas"

async def main():
  task = asyncio.create_task(my_coroutine())
  result = await task  # Laukia, kol užduotis bus baigta
  print(f"Užduoties rezultatas: {result}")

asyncio.run(main())

Užduoties Būsenos:

Užduotis gali būti vienoje iš šių būsenų:

• Laukianti (Pending): Užduotis sukurta, bet dar nepradėta vykdyti.
• Vykdoma (Running): Užduotis šiuo metu vykdoma įvykių cikle.
• Atlikta (Done): Užduotis sėkmingai baigta.
• Atšaukta (Cancelled): Užduotis buvo atšaukta prieš ją užbaigiant.
• Išimtis (Exception): Vykdydama užduotis susidūrė su išimtimi.

Užduoties Atšaukimas:

Galite atšaukti užduotį naudodami task.cancel() metodą. Tai sukels CancelledError išimtį korutinoje, leisdama jai atlaisvinti visus resursus prieš išeinant. Svarbu tinkamai apdoroti CancelledError savo korutinose, kad išvengtumėte netikėto elgesio.

async def my_coroutine():
  try:
    await asyncio.sleep(5)
    return "Rezultatas"
  except asyncio.CancelledError:
    print("Korutina atšaukta")
    return None

async def main():
  task = asyncio.create_task(my_coroutine())
  await asyncio.sleep(1)
  task.cancel()
  try:
    result = await task
    print(f"Užduoties rezultatas: {result}")
  except asyncio.CancelledError:
    print("Užduotis atšaukta")

asyncio.run(main())

Korutinų Planavimas ir Užduočių Valdymas: Išsamus Palyginimas

Nors korutinų planavimas ir užduočių valdymas asyncio yra glaudžiai susiję, jie atlieka skirtingas funkcijas. Korutinų planavimas yra mechanizmas, kuriuo įvykių ciklas nusprendžia, kurią korutiną vykdyti toliau, o užduočių valdymas yra korutinų, kaip užduočių, kūrimo, valdymo ir vykdymo sekimo procesas.

Korutinų Planavimas:

• Akcentas: Nustatyti, kokia tvarka vykdomos korutinos.
• Mechanizmas: Įvykių ciklo planavimo algoritmas.
• Kontrolė: Ribota planavimo proceso kontrolė.
• Abstrakcijos Lygis: Žemo lygio, tiesiogiai sąveikauja su įvykių ciklu.

Užduočių Valdymas:

• Akcentas: Korutinų, kaip užduočių, gyvavimo ciklo valdymas.
• Mechanizmas: asyncio.create_task(), task.cancel(), task.result().
• Kontrolė: Didesnė korutinų vykdymo kontrolė, įskaitant atšaukimą ir rezultatų gavimą.
• Abstrakcijos Lygis: Aukštesnio lygio, suteikia patogų būdą valdyti konkurentiškas operacijas.

Kada Naudoti Korutinas Tiesiogiai, o Kada – Užduotis:

Daugeliu atvejų galite naudoti korutinas tiesiogiai, nekurdami užduočių. Tačiau užduotys yra būtinos, kai jums reikia:

• Vykdyti kelias korutinas vienu metu.
• Atšaukti veikiančią korutiną.
• Gauti korutinos rezultatą.
• Tvarkyti korutinos sukeltas išimtis.

Praktiniai AsyncIO Panaudojimo Pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių, kaip asyncio galima naudoti kuriant asinchronines programas.

1 pavyzdys: Konkurentiškos Tinklo Užklausos

Šis pavyzdys parodo, kaip vienu metu pateikti kelias tinklo užklausas naudojant asyncio ir aiohttp biblioteką:

import asyncio
import aiohttp

async def fetch_url(url):
  async with aiohttp.ClientSession() as session:
    async with session.get(url) as response:
      return await response.text()

async def main():
  urls = [
    "https://www.example.com",
    "https://www.google.com",
    "https://www.wikipedia.org",
  ]

  tasks = [asyncio.create_task(fetch_url(url)) for url in urls]
  results = await asyncio.gather(*tasks)

  for i, result in enumerate(results):
    print(f"Rezultatas iš {urls[i]}: {result[:100]}...")  # Spausdinami pirmieji 100 simbolių

asyncio.run(main())

Šis kodas sukuria užduočių sąrašą, kurių kiekviena atsakinga už skirtingo URL turinio gavimą. asyncio.gather() funkcija laukia, kol visos užduotys bus baigtos, ir grąžina jų rezultatų sąrašą. Tai leidžia vienu metu gauti kelis tinklalapius, žymiai pagerinant našumą, palyginti su nuosekliu užklausų teikimu.

2 pavyzdys: Asinchroninis Duomenų Apdorojimas

Šis pavyzdys parodo, kaip asinchroniškai apdoroti didelį duomenų rinkinį naudojant asyncio:

import asyncio
import random

async def process_data(data):
  await asyncio.sleep(random.random())  # Imituojamas apdorojimo laikas
  return data * 2

async def main():
  data = list(range(100))
  tasks = [asyncio.create_task(process_data(item)) for item in data]
  results = await asyncio.gather(*tasks)

  print(f"Apdoroti duomenys: {results}")

asyncio.run(main())

Šis kodas sukuria užduočių sąrašą, kurių kiekviena atsakinga už skirtingo duomenų rinkinio elemento apdorojimą. asyncio.gather() funkcija laukia, kol visos užduotys bus baigtos, ir grąžina jų rezultatų sąrašą. Tai leidžia vienu metu apdoroti didelį duomenų rinkinį, išnaudojant kelis procesoriaus branduolius ir sumažinant bendrą apdorojimo laiką.

Geriausios AsyncIO Programavimo Praktikos

Norėdami rašyti efektyvų ir prižiūrimą asyncio kodą, laikykitės šių geriausių praktikų:

• Naudokite await tik su laukiamais objektais: Įsitikinkite, kad await raktažodį naudojate tik su korutinomis ar kitais laukiamais (angl. awaitable) objektais.
• Venkite blokuojančių operacijų korutinose: Blokuojančios operacijos, tokios kaip sinchroninė Į/I arba nuo procesoriaus priklausomos užduotys, gali užblokuoti įvykių ciklą ir neleisti veikti kitoms korutinoms. Naudokite asinchronines alternatyvas arba perkelkite blokuojančias operacijas į atskirą giją ar procesą.
• Tinkamai tvarkykite išimtis: Naudokite try...except blokus, kad tvarkytumėte korutinų ir užduočių sukeltas išimtis. Tai padės išvengti, kad neapdorotos išimtys sugadintų jūsų programą.
• Atšaukite užduotis, kai jos nebereikalingos: Atšaukus nebereikalingas užduotis galima atlaisvinti resursus ir išvengti nereikalingų skaičiavimų.
• Naudokite asinchronines bibliotekas: Naudokite asinchronines bibliotekas Į/I operacijoms, tokias kaip aiohttp tinklo užklausoms ir asyncpg prieigai prie duomenų bazių.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo problemas savo asyncio kode. Tai padės optimizuoti jūsų kodą siekiant maksimalaus efektyvumo.

Pažangios AsyncIO Koncepcijos

Be korutinų planavimo ir užduočių valdymo pagrindų, asyncio siūlo daugybę pažangių funkcijų sudėtingoms asinchroninėms programoms kurti.

Asinchroninės Eilės:

asyncio.Queue suteikia gijoms saugią, asinchroninę eilę duomenims perduoti tarp korutinų. Tai gali būti naudinga įgyvendinant gamintojo-vartotojo modelius arba koordinuojant kelių užduočių vykdymą.

Asinchroniniai Sinchronizavimo Primityvai:

asyncio suteikia asinchronines versijas įprastų sinchronizavimo primityvų, tokių kaip užraktai, semaforai ir įvykiai. Šiuos primityvus galima naudoti norint koordinuoti prieigą prie bendrų resursų asinchroniniame kode.

Individualizuoti Įvykių Ciklai:

Nors asyncio suteikia numatytąjį įvykių ciklą, jūs taip pat galite sukurti individualizuotus įvykių ciklus, atitinkančius jūsų specifinius poreikius. Tai gali būti naudinga integruojant asyncio su kitomis įvykiais pagrįstomis sistemomis arba įgyvendinant individualizuotus planavimo algoritmus.

AsyncIO Įvairiose Šalyse ir Pramonės Šakose

asyncio privalumai yra universalūs, todėl jis pritaikomas įvairiose šalyse ir pramonės šakose. Apsvarstykite šiuos pavyzdžius:

• El. prekyba (Visame pasaulyje): Daugybės vienu metu vykstančių vartotojų užklausų tvarkymas piko apsipirkimo sezonų metu.
• Finansai (Niujorkas, Londonas, Tokijas): Aukšto dažnio prekybos duomenų apdorojimas ir realaus laiko rinkos atnaujinimų valdymas.
• Žaidimų pramonė (Seulas, Los Andželas): Mastelį keičiančių žaidimų serverių kūrimas, galinčių aptarnauti tūkstančius vienu metu prisijungusių žaidėjų.
• Daiktų internetas (IoT) (Šendženas, Silicio slėnis): Duomenų srautų valdymas iš tūkstančių prijungtų įrenginių.
• Moksliniai skaičiavimai (Ženeva, Bostonas): Simuliacijų vykdymas ir didelių duomenų rinkinių apdorojimas vienu metu.

Išvados

asyncio suteikia galingą ir lanksčią sistemą asinchroninėms programoms kurti Python kalboje. Suprasti korutinų planavimo ir užduočių valdymo koncepcijas yra būtina norint rašyti efektyvų ir mastelį keičiantį asinchroninį kodą. Laikydamiesi šiame tinklaraščio įraše aprašytų geriausių praktikų, galite išnaudoti asyncio galią kurdami didelio našumo programas, galinčias vienu metu atlikti kelias užduotis.

Giliau gilindamiesi į asinchroninį programavimą su asyncio, atminkite, kad kruopštus planavimas ir įvykių ciklo niuansų supratimas yra raktas į tvirtų ir mastelį keičiančių programų kūrimą. Pasinaudokite konkurentiškumo galia ir atskleiskite visą savo Python kodo potencialą!