Налагодження Python Coroutine: Освоєння режиму налагодження Asyncio

Асинхронне програмування з asyncio в Python пропонує значні переваги в продуктивності, особливо для операцій, пов'язаних з I/O. Однак, налагодження асинхронного коду може бути складним через його нелінійний потік виконання. Python надає вбудований режим налагодження для asyncio, який може значно спростити процес налагодження. Цей посібник розгляне, як ефективно використовувати режим налагодження asyncio для виявлення та вирішення поширених проблем у ваших асинхронних додатках.

Розуміння проблем асинхронного програмування

Перш ніж занурюватися в режим налагодження, важливо зрозуміти загальні проблеми налагодження асинхронного коду:

• Нелінійне виконання: Асинхронний код не виконується послідовно. Coroutines передають контроль назад циклу подій, що ускладнює відстеження шляху виконання.
• Перемикання контексту: Часті перемикання контексту між задачами можуть затьмарювати джерело помилок.
• Розповсюдження помилок: Помилки в одній coroutine можуть бути не відразу очевидними у coroutine, що викликає, що ускладнює визначення першопричини.
• Стани гонки: Спільні ресурси, до яких одночасно звертаються кілька coroutines, можуть призвести до станів гонки, що призводить до непередбачуваної поведінки.
• Взаємні блокування: Coroutines, що чекають один на одного нескінченно, можуть спричинити взаємні блокування, зупиняючи додаток.

Представляємо режим налагодження Asyncio

Режим налагодження asyncio надає цінну інформацію про виконання вашого асинхронного коду. Він пропонує такі функції:

• Детальне логування: Реєструє різні події, пов'язані зі створенням, виконанням, скасуванням і обробкою винятків coroutine.
• Попередження про ресурси: Виявляє незакриті сокети, незакриті файли та інші витоки ресурсів.
• Виявлення повільних зворотних викликів: Визначає зворотні виклики, які займають більше заданого порогу для виконання, вказуючи на потенційні вузькі місця продуктивності.
• Відстеження скасування задач: Надає інформацію про скасування задач, допомагаючи вам зрозуміти, чому задачі скасовуються, і чи правильно вони обробляються.
• Контекст винятків: Пропонує більше контексту для винятків, викликаних у coroutines, що полегшує відстеження помилки до її джерела.

Увімкнення режиму налагодження Asyncio

Ви можете ввімкнути режим налагодження asyncio кількома способами:

1. Використання змінної середовища PYTHONASYNCIODEBUG

Найпростіший спосіб увімкнути режим налагодження - встановити змінну середовища PYTHONASYNCIODEBUG в 1 перед запуском вашого Python-скрипту:

            export PYTHONASYNCIODEBUG=1
python your_script.py
            

              
                Copy
              
            
          

Це ввімкне режим налагодження для всього скрипту.

2. Встановлення прапорця налагодження в asyncio.run()

Якщо ви використовуєте asyncio.run() для запуску вашого циклу подій, ви можете передати аргумент debug=True:

            import asyncio

async def main():
    print("Hello, asyncio!")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

3. Використання loop.set_debug()

Ви також можете ввімкнути режим налагодження, отримавши екземпляр циклу подій і викликавши set_debug(True):

            import asyncio

async def main():
    print("Hello, asyncio!")

if __name__ == "__main__":
    loop = asyncio.get_event_loop()
    loop.set_debug(True)
    loop.run_until_complete(main())
            

              
                Copy
              
            
          

Інтерпретація виводу налагодження

Після ввімкнення режиму налагодження asyncio генеруватиме детальні повідомлення журналу. Ці повідомлення надають цінну інформацію про виконання ваших coroutines. Ось деякі загальні типи виводу налагодження та як їх інтерпретувати:

1. Створення та виконання Coroutine

Режим налагодження реєструє, коли coroutines створюються та запускаються. Це допомагає вам відстежувати життєвий цикл ваших coroutines:

            asyncio | execute <Task pending name='Task-1' coro=<a>() running at example.py:3>
asyncio | Task-1: created at example.py:7
            

              
                Copy
              
            
          

Цей вивід показує, що задача з назвою Task-1 була створена в рядку 7 файлу example.py і зараз виконує coroutine a(), визначену в рядку 3.

2. Скасування задачі

Коли задача скасовується, режим налагодження реєструє подію скасування та причину скасування:

            asyncio | Task-1: cancelling
asyncio | Task-1: cancelled by <Task pending name='Task-2' coro=<b>() running at example.py:10>
            

              
                Copy
              
            
          

Це вказує на те, що Task-1 була скасована Task-2. Розуміння скасування задач має вирішальне значення для запобігання несподіваній поведінці.

3. Попередження про ресурси

Режим налагодження попереджає про незакриті ресурси, такі як сокети та файли:

            ResourceWarning: unclosed <socket.socket fd=3, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=6, laddr=('127.0.0.1', 5000), raddr=('127.0.0.1', 60000)
            

              
                Copy
              
            
          

Ці попередження допомагають вам виявляти та виправляти витоки ресурсів, які можуть призвести до погіршення продуктивності та нестабільності системи.

4. Виявлення повільних зворотних викликів

Режим налагодження може виявляти зворотні виклики, які займають більше заданого порогу для виконання. Це допомагає вам виявляти вузькі місця продуктивності:

            asyncio | Task was destroyed but it is pending!
pending time: 12345.678 ms

            

              
                Copy
              
            
          

5. Обробка винятків

Режим налагодження надає більше контексту для винятків, викликаних у coroutines, включаючи задачу та coroutine, де стався виняток:

            asyncio | Task exception was never retrieved
future: <Task finished name='Task-1' coro=<a>() done, raised ValueError('Invalid value')>
            

              
                Copy
              
            
          

Цей вивід вказує на те, що ValueError був викликаний у Task-1 і не був належним чином оброблений.

Практичні приклади налагодження з режимом налагодження Asyncio

Давайте розглянемо деякі практичні приклади того, як використовувати режим налагодження asyncio для діагностики поширених проблем:

1. Виявлення незакритих сокетів

Розглянемо наступний код, який створює сокет, але не закриває його належним чином:

            import asyncio
import socket

async def handle_client(reader, writer):
    data = await reader.read(100)
    message = data.decode()
    addr = writer.get_extra_info('peername')
    print(f"Received {message!r} from {addr!r}")

    print(f"Send: {message!r}")
    writer.write(data)
    await writer.drain()

    # Missing: writer.close()

async def main():
    server = await asyncio.start_server(
        handle_client,
        '127.0.0.1',
        8888
    )

    addr = server.sockets[0].getsockname()
    print(f'Serving on {addr}')

    async with server:
        await server.serve_forever()

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

Коли ви запустите цей код із ввімкненим режимом налагодження, ви побачите ResourceWarning, що вказує на незакритий сокет:

            ResourceWarning: unclosed <socket.socket fd=4, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=6, laddr=('127.0.0.1', 8888), raddr=('127.0.0.1', 54321)>
            

              
                Copy
              
            
          

Щоб це виправити, вам потрібно переконатися, що сокет закрито належним чином, наприклад, додавши writer.close() в coroutine handle_client і дочекавшись його:

                writer.close()
    await writer.wait_closed()
            

              
                Copy
              
            
          

2. Виявлення повільних зворотних викликів

Припустимо, у вас є coroutine, яка виконує повільну операцію:

            import asyncio
import time

async def slow_function():
    print("Starting slow function")
    time.sleep(2)
    print("Slow function finished")
    return "Result"

async def main():
    task = asyncio.create_task(slow_function())
    result = await task
    print(f"Result: {result}")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

Хоча вивід налагодження за замовчуванням безпосередньо не вказує на повільні зворотні виклики, поєднання його з ретельним логуванням і інструментами профілювання (такими як cProfile або py-spy) дозволяє вам звузити повільні частини вашого коду. Розгляньте можливість реєстрації часових міток до і після потенційно повільних операцій. Такі інструменти, як cProfile, потім можна використовувати для зареєстрованих викликів функцій, щоб ізолювати вузькі місця.

3. Налагодження скасування задач

Розглянемо сценарій, коли задачу несподівано скасовано:

            import asyncio

async def worker():
    try:
        while True:
            print("Working...")
            await asyncio.sleep(0.5)
    except asyncio.CancelledError:
        print("Worker cancelled")

async def main():
    task = asyncio.create_task(worker())
    await asyncio.sleep(2)
    task.cancel()
    try:
        await task
    except asyncio.CancelledError:
        print("Task cancelled in main")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

Вивід налагодження покаже, що задачу скасовано:

            asyncio | execute <Task pending name='Task-1' coro=<worker() running at example.py:3> started at example.py:16>
Working...
Working...
Working...
Working...
asyncio | Task-1: cancelling
Worker cancelled
asyncio | Task-1: cancelled by <Task finished name='Task-2' coro=<main() done, defined at example.py:13> result=None>
Task cancelled in main
            

              
                Copy
              
            
          

Це підтверджує, що задачу було скасовано coroutine main(). Блок except asyncio.CancelledError дозволяє виконати очищення перед повним завершенням задачі, запобігаючи витокам ресурсів або несумісному стану.

4. Обробка винятків у Coroutines

Належна обробка винятків має вирішальне значення в асинхронному коді. Розглянемо наступний приклад з необробленим винятком:

            import asyncio

async def divide(x, y):
    return x / y

async def main():
    result = await divide(10, 0)
    print(f"Result: {result}")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

Режим налагодження повідомить про необроблений виняток:

            asyncio | Task exception was never retrieved
future: <Task finished name='Task-1' coro=<main() done, defined at example.py:6> result=None, exception=ZeroDivisionError('division by zero')>
            

              
                Copy
              
            
          

Щоб обробити цей виняток, ви можете використовувати блок try...except:

            import asyncio

async def divide(x, y):
    return x / y

async def main():
    try:
        result = await divide(10, 0)
        print(f"Result: {result}")
    except ZeroDivisionError as e:
        print(f"Error: {e}")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main(), debug=True)
            

              
                Copy
              
            
          

Тепер виняток буде перехоплено та оброблено належним чином.

Кращі практики налагодження Asyncio

Ось деякі кращі практики налагодження коду asyncio:

• Увімкніть режим налагодження: Завжди вмикайте режим налагодження під час розробки та тестування.
• Використовуйте логування: Додайте детальне логування до ваших coroutines, щоб відстежувати їх потік виконання. Використовуйте logging.getLogger('asyncio') для подій, специфічних для asyncio, і власні логери для даних, специфічних для програми.
• Обробляйте винятки: Реалізуйте надійну обробку винятків, щоб запобігти збоям вашої програми через необроблені винятки.
• Використовуйте групи задач (Python 3.11+): Групи задач спрощують обробку винятків і скасування в групах пов’язаних задач.
• Профілюйте свій код: Використовуйте інструменти профілювання для виявлення вузьких місць продуктивності.
• Пишіть юніт-тести: Пишіть ретельні юніт-тести, щоб перевірити поведінку ваших coroutines.
• Використовуйте підказки типів: Використовуйте підказки типів, щоб виявляти помилки, пов’язані з типами, на ранній стадії.
• Подумайте про використання налагоджувача: Такі інструменти, як pdb або налагоджувачі IDE, можна використовувати для покрокового виконання коду asyncio. Однак вони часто менш ефективні, ніж режим налагодження з ретельним логуванням через природу асинхронного виконання.

Розширені методи налагодження

Крім базового режиму налагодження, розгляньте ці розширені методи:

1. Користувацькі політики циклу подій

Ви можете створювати власні політики циклу подій для перехоплення та реєстрації подій. Це дозволяє отримати ще більш точний контроль над процесом налагодження.

2. Використання сторонніх інструментів налагодження

Кілька сторонніх інструментів налагодження можуть допомогти вам налагодити код asyncio, наприклад:

• PySnooper: Потужний інструмент налагодження, який автоматично реєструє виконання вашого коду.
• pdb++: Покращена версія стандартного налагоджувача pdb з розширеними функціями.
• asyncio_inspector: Бібліотека, спеціально розроблена для перевірки циклів подій asyncio.

3. Monkey Patching (Використовуйте з обережністю)

У крайніх випадках ви можете використовувати monkey patching для зміни поведінки функцій asyncio з метою налагодження. Однак це слід робити з обережністю, оскільки це може спричинити незначні помилки та ускладнити підтримку вашого коду. Це, як правило, не рекомендується, якщо це абсолютно необхідно.

Висновок

Налагодження асинхронного коду може бути складним, але режим налагодження asyncio надає цінні інструменти та відомості для спрощення процесу. Увімкнувши режим налагодження, інтерпретуючи вивід і дотримуючись найкращих практик, ви можете ефективно виявляти та вирішувати поширені проблеми у ваших асинхронних програмах, що призведе до більш надійного та продуктивного коду. Не забудьте поєднати режим налагодження з логуванням, профілюванням і ретельним тестуванням для досягнення найкращих результатів. Завдяки практиці та правильним інструментам ви можете опанувати мистецтво налагодження asyncio coroutines і створювати масштабовані, ефективні та надійні асинхронні програми.