🐍🔀 Под капотом asyncio: принципы работы и ключевые концепции

Библиотека asyncio предоставляет полный набор инструментов для организации параллельного выполнения кода в Python с использованием концепции асинхронности. Но как на самом деле работает asyncio? Давайте разберемся в ключевых принципах и понятиях.

Asyncio – библиотека, которая предоставляет инфраструктуру для написания параллельного кода с использованием концепции асинхронного программирования. Она позволяет эффективно обрабатывать многочисленные задачи ввода-вывода (например, сетевые операции или чтение/запись из файлов) без необходимости создавать множество потоков или процессов. Ключевые концепции asyncio:

Событийный цикл (Event Loop)

• Это ядро asyncio, которое отвечает за планирование и выполнение задач (корутин).
• Реализован на языке C для максимальной эффективности.
• Работает по принципу однопоточной многозадачности (single-threaded concurrency).
• Постоянно опрашивает очередь событий и выполняет соответствующие задачи.

Корутины (Coroutines)

• Это специальные функции, выполнение которых можно приостанавливать на определенных точках с помощью ключевого слова await.
• Используются для написания асинхронного, событийно-ориентированного кода.
• Могут ждать асинхронные события (ввод-вывод, сигналы или другие корутины).
• Определяются с помощью async def.

Задачи (Tasks)

• Представляют собой обертки над корутинами для их планирования и выполнения.
• Создаются с помощью asyncio.create_task(coroutine) или asyncio.ensure_future(coroutine).
• Задачи можно отменять, объединять с другими задачами и отслеживать на предмет исключений.
• Задачи добавляются в событийный цикл и выполняются в порядке их готовности.

Будущие объекты (Futures)

• Представляют результат асинхронной операции, который может быть доступен позже.
• Задачи наследуются от класса Future и добавляют собственные методы управления.
• Могут быть использованы для координации между разными частями программы.

Транспорты и протоколы

• Транспорты (sockets) отвечают за передачу данных по сети.
• Протоколы определяют, как интерпретировать эти данные (HTTP, WebSocket и др.).
• asyncio предоставляет высокоуровневые абстракции для работы с транспортами и протоколами.

Другие инструменты

• Пулы для управления ограниченными ресурсами (потоки, подпроцессы).
• Синхронизаторы для координации между корутинами (Lock, Event, Condition).
• Очереди для безопасной передачи данных между корутинами.
• Сигналы для обработки внешних событий (UNIX-сигналы).

Вот как работает asyncio:

• Создается событийный цикл, который будет управлять выполнением задач.
• Определяются корутины, которые выполняют некоторую работу и могут приостанавливаться на операциях ввода-вывода с помощью ключевого слова await.
• Корутины оборачиваются в задачи с помощью функции asyncio.create_task().
• Задачи планируются для выполнения в событийном цикле с помощью функции asyncio.run() или добавляются в цикл вручную.
• Событийный цикл начинает выполнять задачи по очереди. Когда задача достигает операции ввода-вывода (например, await asyncio.sleep()), она приостанавливается, и событийный цикл переключается на другую задачу.
• Когда операция ввода-вывода завершается, задача возобновляется и продолжает выполнение до следующей операции ввода-вывода или завершения.

Так asyncio позволяет эффективно использовать один поток для выполнения множества задач с операциями ввода-вывода, избегая блокировки и простоев из-за ожидания завершения этих операций.

Важно отметить, что asyncio оптимален именно для I/O-bound задач (сеть, файловые операции и т. д.), и не подходит для CPU-bound операций (вычислительно-интенсивных задач), поскольку в этом случае он не сможет переключаться на другие задачи во время блокировки. Для такого рода задач лучше использовать многопоточность или многопроцессорность. Подробнее о принципах работы asyncio – в этой статье и в этом видео.