从头造轮子：python3 asyncio之 gather （3）

前言

书接上文，本文造第三个轮子，也是asyncio包里面非常常用的一个函数gather

一、知识准备

● 相对于前两个函数，gather的使用频率更高，因为它支持多个协程任务“同时”执行
● 理解__await__ __iter__的使用
● 理解关键字async/await，async/await是3.5之后的语法，和yield/yield from异曲同工
● 今天的文章有点长，请大家耐心看完

二、环境准备

组件	版本
python	3.7.7

三、gather的实现

先来看下官方gather的使用方法：

|># more main.py
import asyncio

async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'return hello ...'

async def world():
    print('enter world ...')
    return 'return world ...'

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await asyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret

if __name__ == "__main__":
    ret = asyncio.run(helloworld())
    print(ret)
    
|># python3 main.py
enter helloworld
enter hello ...
enter world ...
exit helloworld
['return hello ...', 'return world ...']

来看下造的轮子的使用方式：

▶ more main.py
import wilsonasyncio

async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'return hello ...'

async def world():
    print('enter world ...')
    return 'return world ...'

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret


if __name__ == "__main__":
    ret = wilsonasyncio.run(helloworld())
    print(ret)

    
▶ python3 main.py
enter helloworld
enter hello ...
enter world ...
exit helloworld
['return hello ...', 'return world ...']

自己造的轮子也很好的运行了，下面我们来看下轮子的代码

四、代码解析

轮子代码

1）代码组成

|># tree
.
├── eventloops.py 
├── futures.py
├── main.py
├── tasks.py
├── wilsonasyncio.py

文件	作用
eventloops.py	事件循环
futures.py	futures对象
tasks.py	tasks对象
wilsonasyncio.py	可调用方法集合
main.py	入口

2）代码概览：

eventloops.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Eventloop			事件循环，一个线程只有运行一个
	__init__		初始化两个重要对象 self._ready 与 self._stopping
		self._ready	所有的待执行任务都是从这个队列取出来，非常重要
		self._stopping	事件循环完成的标志
	call_soon		调用该方法会立即将任务添加到待执行队列
	run_once		被run_forever调用，从self._ready队列里面取出任务执行
	run_forever		死循环，若self._stopping则退出循环
	run_until_complete		非常重要的函数，任务的起点和终点（后面详细介绍）
	create_task		将传入的函数封装成task对象，这个操作会将task.__step添加到__ready队列
Handle			所有的任务进入待执行队列（Eventloop.call_soon）之前都会封装成Handle对象
	__init__		初始化两个重要对象 self._callback 与 self._args
		self._callback	待执行函数主体
		self._args	待执行函数参数
	_run		待执行函数执行
get_event_loop			获取当前线程的事件循环
_complete_eventloop			将事件循环的_stopping标志置位True
run			入口函数
gather			可以同时执行多个任务的入口函数	新增
_GatheringFuture			将每一个任务组成列表，封装成一个新的类	新增

tasks.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Task			继承自Future，主要用于整个协程运行的周期
	__init__		初始化对象 self._coro ，并且call_soon将self.__step加入self._ready队列
		self._coro	用户定义的函数主体
	__step		Task类的核心函数
	__wakeup		唤醒任务	新增
ensure_future			如果对象是一个Future对象，就返回，否则就会调用create_task返回，并且加入到_ready队列

futures.py

类/函数	方法	对象	作用	描述
Future			主要负责与用户函数进行交互
	__init__		初始化两个重要对象 self._loop 与 self._callbacks
		self._loop	事件循环
		self._callbacks	回调队列，任务暂存队列，等待时机成熟（状态不是PENDING），就会进入_ready队列
	add_done_callback		添加任务回调函数，状态_PENDING，就虎进入_callbacks队列，否则进入_ready队列
	set_result		获取任务执行结果并存储至_result，将状态置位_FINISH，调用__schedule_callbacks
	__schedule_callbacks		将回调函数放入_ready，等待执行
	result		获取返回值
__await__			使用await就会进入这个方法	新增
__iter__			使用yield from就会进入这个方法	新增

3）执行过程

3.1）入口函数

main.py

    
if __name__ == "__main__":
    ret = wilsonasyncio.run(helloworld())
    print(ret)

• ret = wilsonasyncio.run(helloworld())使用run，参数是用户函数helloworld()，进入run，run的流程可以参考上一小节
• run --> run_until_complete

3.2）事件循环启动，同之前

3.3）第一次循环run_forever --> run_once

• 将_ready队列的内容（即：task.__step）取出来执行，这里的coro是helloworld()

    def __step(self, exc=None):
        coro = self._coro
        try:
            if exc is None:
                result = coro.send(None)
            else:
                result = coro.throw(exc)
        except StopIteration as exc:
            super().set_result(exc.value)
        else:
            blocking = getattr(result, '_asyncio_future_blocking', None)
            if blocking:
                result._asyncio_future_blocking = False
                result.add_done_callback(self.__wakeup, result)
        finally:
            self = None

• __step较之前的代码有改动
• result = coro.send(None)，进入用户定义函数

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret

• ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())，这里没啥可说的，进入gather函数

def gather(*coros_or_futures, loop=None):
    loop = get_event_loop()

    def _done_callback(fut):
        nonlocal nfinished
        nfinished += 1

        if nfinished == nfuts:
            results = []
            for fut in children:
                res = fut.result()
                results.append(res)

            outer.set_result(results)

    children = []
    nfuts = 0
    nfinished = 0

    for arg in coros_or_futures:
        fut = tasks.ensure_future(arg, loop=loop)
        nfuts += 1
        fut.add_done_callback(_done_callback)

        children.append(fut)

    outer = _GatheringFuture(children, loop=loop)
    return outer

• loop = get_event_loop()获取事件循环
• def _done_callback(fut)这个函数是回调函数，细节后面分析，现在只需要知道任务（hello()与world()）执行完之后就会回调就行
• for arg in coros_or_futures for循环确保每一个任务都是Future对象，并且add_done_callback将回调函数设置为_done_callback ，还有将他们加入到_ready队列等待下一次循环调度
• 3个重要的变量：
         children 里面存放的是每一个异步任务，在本例是hello()与world()
       nfuts 存放是异步任务的数量，在本例是2
         nfinished 存放的是异步任务完成的数量，目前是0，完成的时候是2
• 继续往下，来到了_GatheringFuture ，看看源码：

class _GatheringFuture(Future):

    def __init__(self, children, *, loop=None):
        super().__init__(loop=loop)
        self._children = children

• _GatheringFuture 最主要的作用就是将多个异步任务放入self._children，然后用_GatheringFuture 这个对象来管理。需要注意，这个对象继承了Future
• 至此，gather完成初始化，返回了outer，其实就是_GatheringFuture
• 总结一下gather，初始化了3个重要的变量，后面用来存放状态；给每一个异步任务添加回调函数；将多个异步子任务合并，并且使用一个Future对象去管理

3.3.1）gather完成，回到helloworld()

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret

• ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world()) gather返回_GatheringFuture ，随后使用await，就会进入Future.__await__

    def __await__(self):
        if self._state == _PENDING:
            self._asyncio_future_blocking = True
            yield self
        return self.result()

• 由于_GatheringFuture 的状态是_PENDING，所以进入if，遇到yield self，将self，也就是_GatheringFuture 返回（这里注意yield的用法，流程控制的功能）
• 那yield回到哪儿去了呢？从哪儿send就回到哪儿去，所以，他又回到了task.__step函数里面去

    def __step(self, exc=None):
        coro = self._coro
        try:
            if exc is None:
                result = coro.send(None)
            else:
                result = coro.throw(exc)
        except StopIteration as exc:
            super().set_result(exc.value)
        else:
            blocking = getattr(result, '_asyncio_future_blocking', None)
            if blocking:
                result._asyncio_future_blocking = False
                result.add_done_callback(self.__wakeup, result)
        finally:
            self = None

• 这里是本函数的第一个核心点，流程控制/跳转，需要非常的清晰，如果搞不清楚的同学，再详细的去阅读有关yield/yield from的文章
• 继续往下走，由于用户函数helloworld()没有结束，所以不会抛异常，所以来到了else分支
• blocking = getattr(result, '_asyncio_future_blocking', None)这里有一个重要的状态，那就是_asyncio_future_blocking ，只有调用__await__，才会有这个参数，默认是true，这个参数主要的作用：一个异步函数，如果调用了多个子异步函数，那证明该异步函数没有结束（后面详细讲解），就需要添加“唤醒”回调
• result._asyncio_future_blocking = False将参数置位False，并且添加self.__wakeup回调等待唤醒
• __step函数完成

---

这里需要详细讲解一下_asyncio_future_blocking 的作用

• 如果在异步函数里面出现了await，调用其他异步函数的情况，就会走到Future.__await__将_asyncio_future_blocking 设置为true

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret
    
class Future:
    def __await__(self):
        if self._state == _PENDING:
            self._asyncio_future_blocking = True
            yield self
        return self.result()

• 这样做了之后，在task.__step中就会把该任务的回调函数设置为__wakeup
• 为啥要__wakeup，因为helloworld()并没有执行完成，所以需要再次__wakeup来唤醒helloworld()

这里揭示了，在Eventloop里面，只要使用await调用其他异步任务，就会挂起父任务，转而去执行子任务，直至子任务完成之后，回到父任务继续执行

---

先喝口水，休息一下，下面更复杂。。。

3.4）第二次循环run_forever --> run_once

eventloops.py

    def run_once(self):
        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()

• 从队列中取出数据，此时_ready队列有两个任务，hello() world()，在gather的for循环时添加的

async def hello():
    print('enter hello ...')
    return 'return hello ...'

async def world():
    print('enter world ...')
    return 'return world ...'

• 由于hello() world()没有await调用其他异步任务，所以他们的执行比较简单，分别一次task.__step就结束了，到达set_result()处
• set_result()将回调函数放入_ready队列，等待下次循环执行

3.5）第三次循环run_forever --> run_once

• 我们来看下回调函数

    def _done_callback(fut):
        nonlocal nfinished
        nfinished += 1

        if nfinished == nfuts:
            results = []
            for fut in children:
                res = fut.result()
                results.append(res)

            outer.set_result(results)

• 没错，这是本文的第二个核心点，我们来仔细分析一下
• 这段代码最主要的逻辑，其实就是，只有当所有的子任务执行完之后，才会启动父任务的回调函数，本文中只有hello() world()都执行完之后if nfinished == nfuts: ，才会启动父任务_GatheringFuture的回调outer.set_result(results)
• results.append(res)将子任务的结果取出来，放进父任务的results里面
• 子任务执行完成，终于到了唤醒父任务的时候了task.__wakeup

    def __wakeup(self, future):
        try:
            future.result()
        except Exception as exc:
            raise exc
        else:
            self.__step()
        self = None

3.6）第四次循环run_forever --> run_once

• future.result()从_GatheringFuture取出结果，然后进入task.__step

    def __step(self, exc=None):
        coro = self._coro
        try:
            if exc is None:
                result = coro.send(None)
            else:
                result = coro.throw(exc)
        except StopIteration as exc:
            super().set_result(exc.value)
        else:
            blocking = getattr(result, '_asyncio_future_blocking', None)
            if blocking:
                result._asyncio_future_blocking = False
                result.add_done_callback(self.__wakeup, result)
        finally:
            self = None

• result = coro.send(None)其实就是helloworld() --> send又要跳回到当初yield的地方，那就是Future.__await__

    def __await__(self):
        if self._state == _PENDING:
            self._asyncio_future_blocking = True
            yield self
        return self.result()

• return self.result()终于返回到helloworld()函数里面去了

async def helloworld():
    print('enter helloworld')
    ret = await wilsonasyncio.gather(hello(), world())
    print('exit helloworld')
    return ret

• helloworld终于也执行完了，返回了ret

3.7）第五次循环run_forever --> run_once

• 循环结束
• 回到run

3.8）回到主函数，获取返回值

if __name__ == "__main__":
    ret = wilsonasyncio.run(helloworld())
    print(ret)

3.9）执行结果

▶ python3 main.py
enter helloworld
enter hello ...
enter world ...
exit helloworld
['return hello ...', 'return world ...']

五、流程总结

六、小结

● 终于结束了，这是一个非常长的小节了，但是我感觉很多细节还是没有说到，大家有问题请及时留言探讨
● _GatheringFuture一个非常重要的对象，它不但追踪了hello() world()的执行状态，唤醒helloworld()，并且将返回值传递给helloworld
● await async yield对流程的控制需要特别关注
● 本文中的代码，参考了python 3.7.7中asyncio的源代码，裁剪而来
● 本文中代码：代码

---

至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教...
更多文章，请关注我：wilson.chai