Python：从头创建 Asyncio (1)

引言

现在，asyncio 已成为 Python 社区中的热门话题，并且名副其实——它提供了一种非常出色的处理 I/O 密集型程序的方法！在我探索 asyncio 的过程中，我起初并不太明白它的工作原理。但随着深入学习，我意识到 asyncio 实际上是在 Python 生成器的基础上增加了一层非常便利的封装。

本文[1]中，我将展示如何仅用 Python 生成器来构建一个 asyncio 的简化模型。接着，我会演示如何利用 await 魔法方法，将示例代码改写为使用 async 和 await 关键字。最终，我会将我的简化版本替换为官方的 asyncio 库。通过这个过程，我相信你将对 asyncio 的神奇之处有一个更深入的理解。

生成器

如果您已经熟悉生成器，请跳过这一部分，但如果您不熟悉，那么 asyncio 就是基于它构建的，因此了解它们的工作原理非常重要。

首先，生成器之所以存在，是因为它们可以让你的代码更加内存高效。想象一下，如果您有以下循环：

for i in range(100_000_000):
    print(i)

如果 range 函数不是以生成器的形式存在，而是返回一个列表让你去遍历，那么类似上面例子的代码在内存使用上将非常浪费，因为你需要创建一个包含高达 1 亿个元素的列表。但是，由于 range 在 Python 3 或更高版本中是一个生成器，你只需在需要时逐个生成数字，而不必将整个序列一次性加载到内存中。

创建生成器有多种方法，但本文将重点介绍生成器函数。生成器函数的声明与其他函数无异，但它使用 yield 语句来逐个返回数据。这个 yield 语句将普通函数转变为一个可以按需暂停和恢复执行状态的生成器，这通过调用 next(iterator) 来实现。

例如，下面是一个生成器函数的示例：

def generator():
   yield 'hello'
   yield 'world'

iterator = generator()

当您调用生成器时，它不会像 Python 通常那样运行函数内部的代码，而是会看到yield 关键字，因此返回一个生成器对象。一旦我们有了生成器对象，我们就可以调用 next(iterator)，它将运行函数的代码，直到第一个/下一个yield语句：

print(next(iterator))  # Output: hello
print(next(iterator))  # Output: world

如果我们尝试再次调用 next(iterator)，生成器将引发 StopIteration 异常，因为生成器函数中不再有yield 语句。 Python 生成器的另一个很酷的功能是yield from，它允许生成器调用子生成器或可迭代对象，使您能够创建生成器链！

def generator():
   yield 'hello'

def another_generator():
   yield from generator()

iterable = another_generator()
print(next(iterable))  # Output: hello

生成器的功能远不止我提到的这些，例如生成器推导式，它与列表推导式类似，但使用的是圆括号而非方括号，还有通过 iterator.send(value) 方法向生成器传递数据的功能。不过，对于本文而言，最关键的是理解生成器能够让函数在执行过程中暂停和恢复，同时保持其内部状态。

事件循环

事件循环是 asyncio 的心脏，负责驱动和管理所有当前任务的执行，我们将首先用生成器来模拟它。虽然 asyncio 的事件循环是用 C 语言实现的，但我们可以将其想象成一个容器，里面存放着所有活跃的任务。目前，我们把这些任务看作是生成器对象。事件循环管理器会依次遍历容器中的任务，并通过调用 next(task) 函数来执行它们。当任务执行到 I/O 操作，比如等待（sleep）时，它会使用 yield 关键字来挂起当前的执行流程，并将控制权交还给事件循环，后者随后会转向执行队列中的下一个任务。

举个例子，我们有两个任务，它们首先打印出自己的任务编号，然后执行 yield 操作，这会导致它们的执行被挂起。因为事件循环管理器负责调用 next() 函数，所以在任务执行 yield 后，管理器会重新获得控制权，并继续执行循环中的下一个任务。

def task1():
   while True:
       print('Task 1')
       yield

def task2():
   while True:
       print('Task 2')
       yield

event_loop = [task1(), task2()]

while True:
   for task in event_loop:
       next(task)

随后，该代码的输出将如下所示，并且将永远持续下去，因为由于 while True 循环，两个生成器函数都永远不会完成。

Task 1
Task 2
Task 1
Task 2
…