进阶篇 · Advanced lv.3 进阶 kp-031

异步编程（asyncio）

前置知识：kp-029、kp-013

1. 一句话定义

asyncio 用单线程事件循环跑"协作式多任务"：async def 定义协程，await 处主动让出控制权——用同步的写法获得万级 IO 并发。

2. 为什么重要

网络服务（爬虫、API 网关、Bot）的高并发标准解法。FastAPI、aiohttp、discord.py 全部构建其上。理解 await 的"让出点"心智，是从同步思维到异步思维的一跃。

3. 前置知识

kp-013（生成器——协程的历史前身）、kp-029（并发选型）。

4. 核心概念

python

import asyncio, httpx   # 异步 HTTP 客户端示例

async def fetch(client, url):
    r = await client.get(url, timeout=5)     # await：让出点，循环去跑别人
    return r.status_code

async def main():
    async with httpx.AsyncClient() as client:
        tasks = [asyncio.create_task(fetch(client, u)) for u in urls]
        results = await asyncio.gather(*tasks)   # 并发跑完再聚合
    return results

asyncio.run(main())          # 程序入口：创建事件循环并运行 main

协程函数：async def；调用它得协程对象（不执行），await 才驱动。
await 只能 await 可等待对象：协程、Task、Future。
create_task：把协程交给循环"现在就开始跑"。
gather：并发等待一批；TaskGroup（3.11+）是更安全的替代（自动取消、结构化并发）。

5. 原理与机制

text

事件循环单线程调度：
  task A ──await 网络响应──► 挂起，注册回调
  task B ──await 睡 1s──────► 挂起
  循环：谁的就绪事件到了，恢复谁（协作式，无抢占）

关键不变量：await 之间的代码是原子的（不会被同循环内其他协程插入）
        代价：一个阻塞调用卡住整个循环

因此铁律是：异步世界里绝不允许同步阻塞调用（time.sleep、同步 requests、重 CPU 计算都会冻住全部任务）。无法避免时用 await asyncio.to_thread(blocking_fn) 把阻塞丢进线程池。

超时与并发控制：

python

async with asyncio.timeout(5):            # 3.11+
    await do()
await asyncio.Semaphore(50)               # 限流：包住并发段

6. 关键事实（模型/图示）

text

同步线程模型：并发 = 多线程 + 操作系统抢占切换（真并行潜力，受 GIL 限）
异步协程模型：并发 = 单线程 + await 让出切换（无锁竞争、开销极小、无并行）
IO 密集 + 大量连接 → asyncio 赢；CPU 密集 → 都不行，去 kp-032

7. 直观类比

asyncio 是一个只带一部手机的客服：顾客 A 打来，问到要查数据（await），就把电话挂起去接顾客 B；数据回了再切回 A。单线程没有抢话筒问题（无锁），但任何一通电话里去泡咖啡（同步阻塞），所有人都在等这位客服。

8. 实例与案例

python

# 结构化并发（3.11+ TaskGroup）：一个失败全组取消
async def crawl(urls):
    async with httpx.AsyncClient() as client:
        async with asyncio.TaskGroup() as tg:
            results = [tg.create_task(fetch(client, u)) for u in urls]
    return [t.result() for t in results]

9. 常见误区

协程忘了 await / 忘了 create_task —— fetch(url) 只创建了协程对象，从未执行；RuntimeWarning: coroutine was never awaited 就是这个病。
在协程里用同步库 —— requests、time.sleep、同步 DB 驱动都会卡死整个循环；找异步版或 to_thread。
以为 async 提速 CPU 计算 —— 它只优化 IO 等待；重计算照样单线程慢。
裸 asyncio.gather 不处理异常 —— gather 默认首个异常向上抛但其他任务继续跑完；需要"失败即取消"用 TaskGroup。

10. 自测题

async def f(): ...; f() 得到什么？如何真正执行它？
为什么 time.sleep(1) 在协程里是灾难？正确写法？
TaskGroup 与 gather 的行为差异？

参考答案

协程对象（未执行）；await f()、asyncio.create_task(f()) 或 asyncio.run(f()) 驱动。
同步阻塞冻住整个事件循环，所有任务停摆；await asyncio.sleep(1)。
TaskGroup 是结构化并发：组内任一任务失败即取消全组并聚合异常，退出时保证全部结束；gather 只并发等待，异常语义较宽松。

11. 与其他知识点的关系

kp-042 Web 生态：ASGI 与异步框架。
kp-030 线程池：混合负载用 to_thread 桥接。
kp-013 生成器：async def 是 yield 概念的直系后代。

12. 延伸阅读

asyncio 官方文档：https://docs.python.org/zh-cn/3/library/asyncio.html
PEP 492（async/await）