# 协程与任务

本节将简述用于协程与任务的高层级 API。

- 协程
- 可等待对象
- 运行 asyncio 程序
- 创建任务
- 休眠
- 并发运行任务
- 屏蔽取消操作
- 超时
- 简单等待
- 来自其他线程的日程安排
- 内省
- Task 对象
- 基于生成器的协程

## 协程

协程通过 async/await 语法进行声明，是编写异步应用的推荐方式。例如，以下代码段 (需要 Python 3.7+) 打印 "hello"，等待 1 秒，然后打印 "world":

    >>> import asyncio

    >>> async def main():
    ...     print('hello')
    ...     await asyncio.sleep(1)
    ...     print('world')

    >>> asyncio.run(main())
    hello
    world

注意：简单地调用一个协程并不会将其加入执行日程:

    >>> main()
    <coroutine object main at 0x1053bb7c8>

要真正运行一个协程，asyncio 提供了三种主要机制:

- `asyncio.run()` 函数用来运行最高层级的入口点 "main()" 函数 (参见上面的示例。)

- 等待一个协程。以下代码段会在等待 1 秒后打印 "hello"，然后 再次 等待 2 秒后打印 "world":

      import asyncio
      import time

      async def say_after(delay, what):
          await asyncio.sleep(delay)
          print(what)

      async def main():
          print(f"started at {time.strftime('%X')}")

          await say_after(1, 'hello')
          await say_after(2, 'world')

          print(f"finished at {time.strftime('%X')}")

      asyncio.run(main())

  预期的输出:

      started at 17:13:52
      hello
      world
      finished at 17:13:55

- `asyncio.create_task()` 函数用来并发运行作为 asyncio `任务` 的多个协程。

  让我们修改以上示例，并发 运行两个 `say_after` 协程:

      async def main():
          task1 = asyncio.create_task(
              say_after(1, 'hello'))

          task2 = asyncio.create_task(
              say_after(2, 'world'))

          print(f"started at {time.strftime('%X')}")

          # Wait until both tasks are completed (should take
          # around 2 seconds.)
          await task1
          await task2

          print(f"finished at {time.strftime('%X')}")

  注意，预期的输出显示代码段的运行时间比之前快了 1 秒:

      started at 17:14:32
      hello
      world
      finished at 17:14:34

## 可等待对象

如果一个对象可以在 `await` 语句中使用，那么它就是 可等待 对象。许多 asyncio API 都被设计为接受可等待对象。

可等待 对象有三种主要类型: 协程, 任务 和 Future.

协程

Python 协程属于 可等待 对象，因此可以在其他协程中被等待:

    import asyncio

    async def nested():
        return 42

    async def main():
        # Nothing happens if we just call "nested()".
        # A coroutine object is created but not awaited,
        # so it *won't run at all*.
        nested()

        # Let's do it differently now and await it:
        print(await nested())  # will print "42".

    asyncio.run(main())

重要

在本文档中 "协程" 可用来表示两个紧密关联的概念:

- 协程函数: 定义形式为 `async def` 的函数;
- 协程对象: 调用 协程函数 所返回的对象。

asyncio 也支持旧式的 基于生成器的 协程。

任务

任务 被用来设置日程以便 并发 执行协程。

当一个协程通过 `asyncio.create_task()` 等函数被打包为一个 任务，该协程将自动排入日程准备立即运行:

    import asyncio

    async def nested():
        return 42

    async def main():
        # Schedule nested() to run soon concurrently
        # with "main()".
        task = asyncio.create_task(nested())

        # "task" can now be used to cancel "nested()", or
        # can simply be awaited to wait until it is complete:
        await task

    asyncio.run(main())

Future 对象

`Future` 是一种特殊的 低层级 可等待对象，表示一个异步操作的 最终结果。

当一个 Future 对象 被等待，这意味着协程将保持等待直到该 Future 对象在其他地方操作完毕。

在 asyncio 中需要 Future 对象以便允许通过 async/await 使用基于回调的代码。

通常情况下 没有必要 在应用层级的代码中创建 Future 对象。

Future 对象有时会由库和某些 asyncio API 暴露给用户，用作可等待对象:

    async def main():
        await function_that_returns_a_future_object()

        # this is also valid:
        await asyncio.gather(
            function_that_returns_a_future_object(),
            some_python_coroutine()
        )

一个很好的返回对象的低层级函数的示例是 `loop.run_in_executor()`。

## 运行 asyncio 程序

`asyncio.``run`(coro, *, debug=False)

  此函数运行传入的协程，负责管理 asyncio 事件循环并 完结异步生成器。

  当有其他 asyncio 事件循环在同一线程中运行时，此函数不能被调用。

  如果 debug 为 `True`，事件循环将以调试模式运行。

  此函数总是会创建一个新的事件循环并在结束时关闭之。它应当被用作 asyncio 程序的主入口点，理想情况下应当只被调用一次。

  3.7 新版功能: 重要: 此函数是在 Python 3.7 中加入 asyncio 模块，处于 暂定基准状态。

## 创建任务

`asyncio.``create_task`(coro, *, name=None)

  将 coro 协程 打包为一个 `Task` 排入日程准备执行。返回 Task 对象。

  If name is not `None`, it is set as the name of the task using `Task.set_name()`.

  该任务会在 `get_running_loop()` 返回的循环中执行，如果当前线程没有在运行的循环则会引发 `RuntimeError`。

  此函数 在 Python 3.7 中被加入。在 Python 3.7 之前，可以改用低层级的 `asyncio.ensure_future()` 函数。

      async def coro():
          ...

      # In Python 3.7+
      task = asyncio.create_task(coro())
      ...

      # This works in all Python versions but is less readable
      task = asyncio.ensure_future(coro())
      ...

  3.7 新版功能.

  在 3.8 版更改: Added the `name` parameter.

## 休眠

coroutine `asyncio.``sleep`(delay, result=None, *, loop=None)

  阻塞 delay 指定的秒数。

  如果指定了 result，则当协程完成时将其返回给调用者。

  `sleep()` 总是会挂起当前任务，以允许其他任务运行。

  loop 参数已弃用，计划在 Python 3.10 中移除。

  以下协程示例运行 5 秒，每秒显示一次当前日期:

      import asyncio
      import datetime

      async def display_date():
          loop = asyncio.get_running_loop()
          end_time = loop.time() + 5.0
          while True:
              print(datetime.datetime.now())
              if (loop.time() + 1.0) >= end_time:
                  break
              await asyncio.sleep(1)

      asyncio.run(display_date())

## 并发运行任务

awaitable `asyncio.``gather`(*aws, loop=None, return_exceptions=False)

  并发 运行 aws 序列中的 可等待对象。

  如果 aws 中的某个可等待对象为协程，它将自动作为一个任务加入日程。

  如果所有可等待对象都成功完成，结果将是一个由所有返回值聚合而成的列表。结果值的顺序与 aws 中可等待对象的顺序一致。

  如果 return_exceptions 为 `False` (默认)，所引发的首个异常会立即传播给等待 `gather()` 的任务。aws 序列中的其他可等待对象 不会被取消 并将继续运行。

  如果 return_exceptions 为 `True`，异常会和成功的结果一样处理，并聚合至结果列表。

  如果 `gather()` 被取消，所有被提交 (尚未完成) 的可等待对象也会 被取消。

  如果 aws 序列中的任一 Task 或 Future 对象 被取消，它将被当作引发了 `CancelledError` 一样处理 -- 在此情况下 `gather()` 调用 不会 被取消。这是为了防止一个已提交的 Task/Future 被取消导致其他 Tasks/Future 也被取消。

  示例:

      import asyncio

      async def factorial(name, number):
          f = 1
          for i in range(2, number + 1):
              print(f"Task {name}: Compute factorial({i})...")
              await asyncio.sleep(1)
              f *= i
          print(f"Task {name}: factorial({number}) = {f}")

      async def main():
          # Schedule three calls *concurrently*:
          await asyncio.gather(
              factorial("A", 2),
              factorial("B", 3),
              factorial("C", 4),
          )

      asyncio.run(main())

      # Expected output:
      #
      #     Task A: Compute factorial(2)...
      #     Task B: Compute factorial(2)...
      #     Task C: Compute factorial(2)...
      #     Task A: factorial(2) = 2
      #     Task B: Compute factorial(3)...
      #     Task C: Compute factorial(3)...
      #     Task B: factorial(3) = 6
      #     Task C: Compute factorial(4)...
      #     Task C: factorial(4) = 24

  在 3.7 版更改: 如果 gather 本身被取消，则无论 return_exceptions 取值为何，消息都会被传播。

## 屏蔽取消操作

awaitable `asyncio.``shield`(aw, *, loop=None)

  保护一个 可等待对象 防止其被 `取消`。

  如果 aw 是一个协程，它将自动作为任务加入日程。

  以下语句:

      res = await shield(something())

  相当于:

      res = await something()

  不同之处 在于如果包含它的协程被取消，在 `something()` 中运行的任务不会被取消。从 `something()` 的角度看来，取消操作并没有发生。然而其调用者已被取消，因此 "await" 表达式仍然会引发 `CancelledError`。

  如果通过其他方式取消 `something()` (例如在其内部操作) 则 `shield()` 也会取消。

  如果希望完全忽略取消操作 (不推荐) 则 `shield()` 函数需要配合一个 try/except 代码段，如下所示:

      try:
          res = await shield(something())
      except CancelledError:
          res = None

## 超时

coroutine `asyncio.``wait_for`(aw, timeout, *, loop=None)

  等待 aw 可等待对象 完成，指定 timeout 秒数后超时。

  如果 aw 是一个协程，它将自动作为任务加入日程。

  timeout 可以为 `None`，也可以为 float 或 int 型数值表示的等待秒数。如果 timeout 为 `None`，则等待直到完成。

  如果发生超时，任务将取消并引发 `asyncio.TimeoutError`.

  要避免任务 `取消`，可以加上 `shield()`。

  函数将等待直到目标对象确实被取消，所以总等待时间可能超过 timeout 指定的秒数。

  如果等待被取消，则 aw 指定的对象也会被取消。

  loop 参数已弃用，计划在 Python 3.10 中移除。

  示例:

      async def eternity():
          # Sleep for one hour
          await asyncio.sleep(3600)
          print('yay!')

      async def main():
          # Wait for at most 1 second
          try:
              await asyncio.wait_for(eternity(), timeout=1.0)
          except asyncio.TimeoutError:
              print('timeout!')

      asyncio.run(main())

      # Expected output:
      #
      #     timeout!

  在 3.7 版更改: 当 aw 因超时被取消，`wait_for` 会等待 aw 被取消。之前版本则将立即引发 `asyncio.TimeoutError`。

## 简单等待

coroutine `asyncio.``wait`(aws, *, loop=None, timeout=None, return_when=ALL_COMPLETED)

  并发运行 aws 指定的 可等待对象 并阻塞线程直到满足 return_when 指定的条件。

  如果 aws 中的某个可等待对象为协程，它将自动作为任务加入日程。直接向 `wait()` 传入协程对象已弃用，因为这会导致 令人迷惑的行为。

  返回两个 Task/Future 集合: `(done, pending)`。

  用法:

      done, pending = await asyncio.wait(aws)

  loop 参数已弃用，计划在 Python 3.10 中移除。

  如指定 timeout (float 或 int 类型) 则它将被用于控制返回之前等待的最长秒数。

  请注意此函数不会引发 `asyncio.TimeoutError`。当超时发生时，未完成的 Future 或 Task 将在指定秒数后被返回。

  return_when 指定此函数应在何时返回。它必须为以下常数之一:

  常数 | 描述
  --- | ---
  `FIRST_COMPLETED` | 函数将在任意可等待对象结束或取消时返回。
  `FIRST_EXCEPTION` | 函数将在任意可等待对象因引发异常而结束时返回。当没有引发任何异常时它就相当于 `ALL_COMPLETED`。
  `ALL_COMPLETED` | 函数将在所有可等待对象结束或取消时返回。

  与 `wait_for()` 不同，`wait()` 在超时发生时不会取消可等待对象。

  注解

  `wait()` 会自动将协程作为任务加入日程，以后将以 `(done, pending)` 集合形式返回显式创建的任务对象。因此以下代码并不会有预期的行为:

      async def foo():
          return 42

      coro = foo()
      done, pending = await asyncio.wait({coro})

      if coro in done:
          # This branch will never be run!

  以上代码段的修正方法如下:

      async def foo():
          return 42

      task = asyncio.create_task(foo())
      done, pending = await asyncio.wait({task})

      if task in done:
          # Everything will work as expected now.

  直接向 `wait()` 传入协程对象的方式已弃用。

`asyncio.``as_completed`(aws, *, loop=None, timeout=None)

  并发地运行 aws 集合中的 可等待对象。返回一个 `Future` 对象的迭代器。返回的每个 Future 对象代表来自剩余可等待对象集合的最早结果。

  如果在所有 Future 对象完成前发生超时则将引发 `asyncio.TimeoutError`。

  示例:

      for f in as_completed(aws):
          earliest_result = await f
          # ...

## 来自其他线程的日程安排

`asyncio.``run_coroutine_threadsafe`(coro, loop)

  向指定事件循环提交一个协程。线程安全。

  返回一个 `concurrent.futures.Future` 以等待来自其他 OS 线程的结果。

  此函数应该从另一个 OS 线程中调用，而非事件循环运行所在线程。示例:

      # Create a coroutine
      coro = asyncio.sleep(1, result=3)

      # Submit the coroutine to a given loop
      future = asyncio.run_coroutine_threadsafe(coro, loop)

      # Wait for the result with an optional timeout argument
      assert future.result(timeout) == 3

  如果在协程内产生了异常，将会通知返回的 Future 对象。它也可被用来取消事件循环中的任务:

      try:
          result = future.result(timeout)
      except asyncio.TimeoutError:
          print('The coroutine took too long, cancelling the task...')
          future.cancel()
      except Exception as exc:
          print(f'The coroutine raised an exception: {exc!r}')
      else:
          print(f'The coroutine returned: {result!r}')

  查看 并发和多线程 章节的文档。

  不同与其他 asyncio 函数，此函数要求显式地传入 loop 参数。

  3.5.1 新版功能.

## 内省

`asyncio.``current_task`(loop=None)

  返回当前运行的 `Task` 实例，如果没有正在运行的任务则返回 `None`。

  如果 loop 为 `None` 则会使用 `get_running_loop()` 获取当前事件循环。

  3.7 新版功能.

`asyncio.``all_tasks`(loop=None)

  返回事件循环所运行的未完成的 `Task` 对象的集合。

  如果 loop 为 `None`，则会使用 `get_running_loop()` 获取当前事件循环。

  3.7 新版功能.

## Task 对象

class `asyncio.``Task`(coro, *, loop=None, name=None)

  一个与 `Future 类似` 的对象，可运行 Python 协程。非线程安全。

  Task 对象被用来在事件循环中运行协程。如果一个协程在等待一个 Future 对象，Task 对象会挂起该协程的执行并等待该 Future 对象完成。当该 Future 对象 完成，被打包的协程将恢复执行。

  事件循环使用协同日程调度: 一个事件循环每次运行一个 Task 对象。而一个 Task 对象会等待一个 Future 对象完成，该事件循环会运行其他 Task、回调或执行 IO 操作。

  使用高层级的 `asyncio.create_task()` 函数来创建 Task 对象，也可用低层级的 `loop.create_task()` 或 `ensure_future()` 函数。不建议手动实例化 Task 对象。

  要取消一个正在运行的 Task 对象可使用 `cancel()` 方法。调用此方法将使该 Task 对象抛出一个 `CancelledError` 异常给打包的协程。如果取消期间一个协程正在等待一个 Future 对象，该 Future 对象也将被取消。

  `cancelled()` 可被用来检测 Task 对象是否被取消。如果打包的协程没有抑制 `CancelledError` 异常并且确实被取消，该方法将返回 `True`。

  `asyncio.Task` 从 `Future` 继承了其除 `Future.set_result()` 和 `Future.set_exception()` 以外的所有 API。

  Task 对象支持 `contextvars` 模块。当一个 Task 对象被创建，它将复制当前上下文，然后在复制的上下文中运行其协程。

  在 3.7 版更改: 加入对 `contextvars` 模块的支持。

  在 3.8 版更改: Added the `name` parameter.

  `cancel`()

    请求取消 Task 对象。

    这将安排在下一轮事件循环中抛出一个 `CancelledError` 异常给被封包的协程。

    协程在之后有机会进行清理甚至使用 `try` ... ... `except CancelledError` ... `finally` 代码块抑制异常来拒绝请求。不同于 `Future.cancel()`，`Task.cancel()` 不保证 Task 会被取消，虽然抑制完全取消并不常见，也很不鼓励这样做。

    以下示例演示了协程是如何拦截取消请求的:

        async def cancel_me():
            print('cancel_me(): before sleep')

            try:
                # Wait for 1 hour
                await asyncio.sleep(3600)
            except asyncio.CancelledError:
                print('cancel_me(): cancel sleep')
                raise
            finally:
                print('cancel_me(): after sleep')

        async def main():
            # Create a "cancel_me" Task
            task = asyncio.create_task(cancel_me())

            # Wait for 1 second
            await asyncio.sleep(1)

            task.cancel()
            try:
                await task
            except asyncio.CancelledError:
                print("main(): cancel_me is cancelled now")

        asyncio.run(main())

        # Expected output:
        #
        #     cancel_me(): before sleep
        #     cancel_me(): cancel sleep
        #     cancel_me(): after sleep
        #     main(): cancel_me is cancelled now

  `cancelled`()

    如果 Task 对象 被取消 则返回 `True`。

    当使用 `cancel()` 发出取消请求时 Task 会被 取消，其封包的协程将传播被抛入的 `CancelledError` 异常。

  `done`()

    如果 Task 对象 已完成 则返回 `True`。

    当 Task 所封包的协程返回一个值、引发一个异常或 Task 本身被取消时，则会被认为 已完成。

  `result`()

    返回 Task 的结果。

    如果 Task 对象 已完成，其封包的协程的结果会被返回 (或者当协程引发异常时，该异常会被重新引发。)

    如果 Task 对象 被取消，此方法会引发一个 `CancelledError` 异常。

    如果 Task 对象的结果还不可用，此方法会引发一个 `InvalidStateError` 异常。

  `exception`()

    返回 Task 对象的异常。

    如果所封包的协程引发了一个异常，该异常将被返回。如果所封包的协程正常返回则该方法将返回 `None`。

    如果 Task 对象 被取消，此方法会引发一个 `CancelledError` 异常。

    如果 Task 对象尚未 完成，此方法将引发一个 `InvalidStateError` 异常。

  `add_done_callback`(callback, *, context=None)

    添加一个回调，将在 Task 对象 完成 时被运行。

    此方法应该仅在低层级的基于回调的代码中使用。

    要了解更多细节请查看 `Future.add_done_callback()` 的文档。

  `remove_done_callback`(callback)

    从回调列表中移除 callback 指定的回调。

    此方法应该仅在低层级的基于回调的代码中使用。

    要了解更多细节请查看 `Future.remove_done_callback()` 的文档。

  `get_stack`(*, limit=None)

    返回此 Task 对象的栈框架列表。

    如果所封包的协程未完成，这将返回其挂起所在的栈。如果协程已成功完成或被取消，这将返回一个空列表。如果协程被一个异常终止，这将返回回溯框架列表。

    框架总是从按从旧到新排序。

    每个被挂起的协程只返回一个栈框架。

    可选的 limit 参数指定返回框架的数量上限；默认返回所有框架。返回列表的顺序要看是返回一个栈还是一个回溯：栈返回最新的框架，回溯返回最旧的框架。(这与 traceback 模块的行为保持一致。)

  `print_stack`(*, limit=None, file=None)

    打印此 Task 对象的栈或回溯。

    此方法产生的输出类似于 traceback 模块通过 `get_stack()` 所获取的框架。

    limit 参数会直接传递给 `get_stack()`。

    file 参数是输出所写入的 I/O 流；默认情况下输出会写入 `sys.stderr`。

  `get_name`()

    Return the name of the Task.

    If no name has been explicitly assigned to the Task, the default asyncio Task implementation generates a default name during instantiation.

    3.8 新版功能.

  `set_name`(value)

    Set the name of the Task.

    The value argument can be any object, which is then converted to a string.

    In the default Task implementation, the name will be visible in the `repr()` output of a task object.

    3.8 新版功能.

  classmethod `all_tasks`(loop=None)

    返回一个事件循环中所有任务的集合。

    默认情况下将返回当前事件循环中所有任务。如果 loop 为 `None`，则会使用 `get_event_loop()` 函数来获取当前事件循环。

    此方法 已弃用 并将在 Python 3.9 中移除。请改用 `asyncio.all_tasks()` 函数。

  classmethod `current_task`(loop=None)

    返回当前运行任务或 `None`。

    如果 loop 为 `None`，则会使用 `get_event_loop()` 函数来获取当前事件循环。

    此方法 已弃用 并将在 Python 3.9 中移除。请改用 `asyncio.current_task()` 函数。

## 基于生成器的协程

注解

对基于生成器的协程的支持 已弃用 并计划在 Python 3.10 中移除。

基于生成器的协程是 async/await 语法的前身。它们是使用 `yield from` 语句创建的 Python 生成器，可以等待 Future 和其他协程。

基于生成器的协程应该使用 `@asyncio.coroutine` 装饰，虽然这并非强制。

`@``asyncio.``coroutine`

  用来标记基于生成器的协程的装饰器。

  此装饰器使得旧式的基于生成器的协程能与 async/await 代码相兼容:

      @asyncio.coroutine
      def old_style_coroutine():
          yield from asyncio.sleep(1)

      async def main():
          await old_style_coroutine()

  此装饰器 已弃用 并计划觉得 Python 3.10 中移除。

  此装饰器不应该被用于 `async def` 协程。

`asyncio.``iscoroutine`(obj)

  如果 obj 是一个 协程对象 则返回 `True`。

  此方法不同于 `inspect.iscoroutine()` 因为它对基于生成器的协程返回 `True`。

`asyncio.``iscoroutinefunction`(func)

  如果 func 是一个 协程函数 则返回 `True`。

  此方法不同于 `inspect.iscoroutinefunction()` 因为它对以 `@coroutine` 装饰的基于生成器的协程函数返回 `True`。