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从头造轮子：python3 asyncio之 sleep （4）

前言

书接上文：，本文造第四个轮子，也是asyncio包里面非常常用，并且非常复杂的一个函数sleep

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一、知识准备

● time.sleep直接让当前线程睡觉，但是这种方式显然是不能接受的，如果当前线程睡觉，那我们所有的协程任务都会被卡主，并发也就无从谈起了
● 理解socket.socketpair()创建的套接字对象
● 理解selectors的应用
● 理解最小堆以及heapq的应用
● 理解对象比较
● 这一小结的基础知识很多，希望大家优先了解上述的知识再开始阅读，否则很容易不知所云


二、环境准备

组件 版本
python 3.7.7

三、sleep的实现

先来看下官方sleep的使用方法：

|># more main.py
import asyncio

async def hello():
    print('enter hello ...')
    await asyncio.sleep(5)
    print('hello sleep end...')
    return 'return hello...'

async def world():
    print('enter world ...')
    await asyncio.sleep(3)
    print('world sleep end...')
    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)
    
|># time python3 main.py
enter helloworld
enter hello ...
enter world ...
world sleep end...
hello sleep end...
exit helloworld
['return hello...', 'return world...']

real	0m5.256s
user	0m0.077s
sys	0m0.020s

来看下造的轮子的使用方式：

▶ more main.py
async def hello():
    print('enter hello ...')
    await wilsonasyncio.sleep(5)
    print('hello sleep end...')
    return 'return hello...'

async def world():
    print('enter world ...')
    await wilsonasyncio.sleep(3)
    print('world sleep end...')
    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)

    
▶ time python3 main.py
enter helloworld
enter hello ...
enter world ...
world sleep end...
hello sleep end...
exit helloworld
['return hello...', 'return world...']
python3 main.py  0.06s user 0.04s system 1% cpu 5.406 total

都是用了5s左右，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._scheduled 待调度的任务队列，这个队列的任务会在合适的时机进入self._ready中 新增
self._stopping 事件循环完成的标志
current_time 从线程启动到现在经历的秒数 新增
call_later 调用该方法会经历一个延时delay之后，再将任务添加到待执行队列 新增
call_at 调用该方法会在指定的时间将任务添加到待执行队列 新增
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 重新改造，添加了大量逻辑
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
create_future 返回Future对象 新增
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
TimerHandle 带时间戳的对象 新增
__init__ 初始化重要对象 self._when 新增
self._when 调度的时间 新增
__lt__``__gt__``__eq__ 一系列魔术方法，实现对象比较 新增
get_event_loop 获取当前线程的事件循环
fake_socket 创建一对套接字对象，并且将一种一条套接字注册到多路复用对象sel，返回sel 新增
_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
_GatheringFuture 将每一个任务组成列表，封装成一个新的类
sleep 入口函数 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
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
__iter__ 使用yield from就会进入这个方法
set_result_unless_cancelled 其实就是Future.set_result，只不过调用场景与调用方式不一样 新增

新加了很多的函数，后面我们边走流程，边讲解他们的用途

3）执行过程

3.1）入口函数

main.py

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

3.2）事件循环启动，同gather，不再赘述

3.3）第一次循环run_forever --> run_once，同gather，不再赘述

3.3.1）gather完成，回到helloworld()，同gather，不再赘述

3.4）第二次循环run_forever --> run_once，从这里开始，不一样的地方来了

  • 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
    def run_once(self):
        timeout = 0
        if not self._ready and self._scheduled:
            heapq.heapify(self._scheduled)
            when = self._scheduled[0]._when
            timeout = min(max(0, when - self.current_time()), 60)
        self._selector.select(timeout)

        end_time = self.current_time()
        while self._scheduled:
            handle = self._scheduled[0]
            if handle._when >= end_time:
                break
            handle = heapq.heappop(self._scheduled)
            self._ready.append(handle)
        

        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()
  • run_once做了改动，由于if not self._ready and self._scheduled不满足（self._ready有内容）
  • timeout=0，self._selector.select(timeout)不会等待，直接跳过
  • while self._scheduled不满足，不会进入while循环
  • 直接进入handle._run()阶段

上述的函数都没有执行，所以没有分析，在后面执行的时候会详细分析作用

tasks.py

    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
  • 经过coro.send(None)回到各自的函数本体中
async def hello():
    print('enter hello ...')
    await wilsonasyncio.sleep(5)
    return 'return hello...'

async def world():
    print('enter world ...')
    await wilsonasyncio.sleep(3)
    return 'return world...'
  • 由于hello() world()使用await调用了sleep，我们开看看sleep的源码：
async def sleep(delay, result=None, *, loop=None):
    if loop is None:
        loop = get_event_loop()
    future = loop.create_future()
    loop.call_later(delay, set_result_unless_cancelled, future, result)
    return await future
  • future = loop.create_future()创建了一个Future对象，随后调用call_later
    def call_later(self, delay, callback, *args):
        timer = self.call_at(self.current_time() + delay, callback, *args)
        return timer

    def call_at(self, when, callback, *args):
        timer = TimerHandle(when, callback, *args)
        heapq.heappush(self._scheduled, timer)
        return timer

  • call_later call_at，主要的逻辑：
            a) self.current_time()获取当前的时间线，再加上传入的delay（hello(5)``world(3)）计算出延时
            b) timer = TimerHandle(when, callback, *args)将延时、callback（即set_result_unless_cancelled）再加上参数封装成TimerHandle对象
            c) heapq.heappush(self._scheduled, timer)将对象推入self._scheduled队列等待合适的时间调度到self._ready
            d) 第一点需要注意的是，self._scheduled是一个最小堆
            e) 第二点需要注意的是，TimerHandle实现了__lt__ __gt__ __eq__，所以会通过self._when进行对象比较。在本例中，hello()的延时是current_time+5，world()的延时是current_time+3，所以world()会优先调度

  • 返回到sleep

async def sleep(delay, result=None, *, loop=None):
    if loop is None:
        loop = get_event_loop()
    future = loop.create_future()
    loop.call_later(delay, set_result_unless_cancelled, future, result)
    return await future
  • return await future在gather小节中描述过，一旦调用了await，就会来到__await__
    def __await__(self):
        if self._state == _PENDING:
            self._asyncio_future_blocking = True
            yield self
        return self.result()
  • yield self self就是之前创建的future对象，并且返回到当初send的地方，对的，就是Task.__step里面
    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

  • 由于他们去__await__溜达了一圈，所以_asyncio_future_blocking=True，所以hello() world()的回调函数是self.__wakeup

  • 这一次循环结束了，hello() world()并没有结束，而是分分挂起，等待他们的子任务await wilsonasyncio.sleep执行结束完之后才会唤醒

3.5）第三次循环run_forever --> run_once

eventloops:

    def run_once(self):
        timeout = 0
        if not self._ready and self._scheduled:
            heapq.heapify(self._scheduled)
            when = self._scheduled[0]._when
            timeout = min(max(0, when - self.current_time()), 60)
        self._selector.select(timeout)

        end_time = self.current_time()
        while self._scheduled:
            handle = self._scheduled[0]
            if handle._when >= end_time:
                break
            handle = heapq.heappop(self._scheduled)
            self._ready.append(handle)
        

        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()
  • run_once函数进行了改造
  • self._ready为空，并且self._scheduled队列不为空，里面的内容是hello() world()2个函数中调用await wilsonasyncio.sleep()时添加进self._scheduled，分别是两个TimerHandle对象，并且是按照最小堆排序
  • 由于是按照最小堆排序，直接取出来肯定就是时间最小的，timeout = min(max(0, when - self.current_time()), 60)，获取timeout
  • self._selector.select(timeout)核心代码，主要的逻辑就会等待timeout的时间，是整个线程等待，所有的协程任务都会卡主，但是当前队列里面所有的任务都是等待，并且当前的timeout是等待时间最小的。在本例中，timeout就是world()的等待时间：3s

self._selector.select(timeout) 这里要详细描述一下了

  • 核心逻辑就是将一堆等待中的协程任务中，选一个等待时间最小的出来，然后线程sleep
  • 这时的sleep可以用粗暴的time.sleep，但是我们选择了self._selector.select(timeout)，主要_selector在后面的应用中发挥了巨大的作用，只是在这里看不出来
  • self._selector是一个多路复用对象，就是我们熟悉的select() poll() epoll()，我们将一条socket注册到对象上面，然后调用self._selector.select(timeout)，整个线程就会在timeout期间，监听socket是否有新的数据，一旦socket有新的数据，就会立即执行回调函数
  • 那socket对象是怎么来的，event_loop初始化的时候，会通过socket.socketpair()创建一对socket，并且把它注册进self._selector，所以self._selector.select(timeout)会监听socket是否有读写事件
  • sel.register(_ssock.fileno(), selectors.EVENT_READ, None)当然，我们的回调函数是None，没有注册任何回调，在本例中，我们只需要它的等待功能
  • 肯定会有人问了，那如果这时候出现了一个需要立即执行的任务，怎么办？这是后面解答的问题，在后面的轮子中肯定会解答这个问题，而在本例中，不可能会出现这种情况（如果是立即执行的任务，那么一定出现在self._ready队列里面，在第一次循环就已经执行完成了）

简单解释了一下，我们喝一口水，继续。。。

  • end_time = self.current_time()记录一下当前的时间
        while self._scheduled:
            handle = self._scheduled[0]
            if handle._when >= end_time:
                break
            handle = heapq.heappop(self._scheduled)
            self._ready.append(handle)
  • 将_when大于当前时间的协程任务取出来，放入self._ready队列，等待下一次循环调度
  • _when小于当前事件的协程任务留在self._scheduled，他们还需要继续睡觉
  • 全部搞完，继续往下走
        ntodo = len(self._ready)
        for _ in range(ntodo):
            handle = self._ready.popleft()
            handle._run()
  • 熟悉的流程，handle是world()的sleep，执行其回调函数set_result_unless_cancelled，就是set_result
  • 将__wakeup加入到self._ready队列，world()等待被唤醒

3.6）第四次循环run_forever --> run_once

if not self._ready and self._scheduled:
  • timeout=0, self._ready有协程任务，不会等待
  • __wakeup --> __step --> send(None) --> 回到 world()
async def world():
    print('enter world ...')
    await wilsonasyncio.sleep(3)
    print('world sleep end...')
    return 'return world...'
  • world()协程完成，将回调_done_callback加入到self._ready队列，同gather

3.7）第五次循环run_forever --> run_once

  • gather._done_callback()，由于条件不满足，不会添加回调到self._ready，同gather

3.8）第六次循环run_forever --> run_once

        if not self._ready and self._scheduled:
            heapq.heapify(self._scheduled)
            when = self._scheduled[0]._when
            timeout = min(max(0, when - self.current_time()), 60)

  • timeout = min(max(0, when - self.current_time()), 60)，由于刚才等了3s，hello()的delay是5s，所以这里timeout=2（这之间还有很多代码的执行时间，不过执行速度非常快）

  • self._selector.select(timeout)等待2s之后，重复了world()的流程

  • handle是hello()的sleep，执行其回调函数set_result_unless_cancelled，就是set_result

  • 将__wakeup加入到self._ready队列，hello()等待被唤醒

  • 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

3.8）第七次循环run_forever --> run_once

  • __wakeup --> __step --> send(None) --> 回到 hello()
async def hello():
    print('enter hello ...')
    await wilsonasyncio.sleep(5)
    print('hello sleep end...')
    return 'return hello...'
  • hello()协程完成，将回调_done_callback加入到self._ready队列，同gather

3.9）第八次循环run_forever --> run_once

  • gather._done_callback()，由于条件满足，将回调到self._ready，helloworld等待被唤醒。同上一小节gather

3.10）第九次循环run_forever --> run_once

  • 循环结束
  • 回到run

3.11）回到主函数，获取返回值

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

3.12）执行结果

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

五、流程总结

六、小结

● 无法总结。。。。有问题私信、留言
● 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...
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新闻名称：从头造轮子：python3 asyncio之 sleep （4）
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