python协程(4): asyncio结合多线程解决阻塞问题以及timer模拟

一、异步方法依然会假死（freezing）

什么是程序的假死，这里不再多描述，特别是在编写桌面程序的时候，如果是使用单个线程，同步函数的方式，假死是不可避免的，但是有时候我们即使是使用了异步函数的方式依然是不可避免的，依然会假死，这是为什么呢，下面会通过几个例子来详细说明。

1、一般程序的调用方“假死”


import asyncio
import time
import threading#定义一个异步操作
async def hello1(a,b):print(f"异步函数开始执行")await asyncio.sleep(3)print("异步函数执行结束")return a+b#在一个异步操作里面调用另一个异步操作
async def main():c=await hello1(10,20)print(c)print("主函数执行")loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [main()]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))loop.close()'''运行结果为：
异步函数开始执行（在此处要等待3秒）
异步函数执行结束
30
主函数执行
'''

注意一个问题：我们前面所讲的例子中，没有出现等待，是因为各个异步方法之间是“完全并列”关系，彼此之间没有依赖，所以，我可以将所有的异步操作“gather”起来，然后通过事件循环，让事件循环在多个异步方法之间来回调用，永不停止，故而没有出现等待。

但是，现实中不可能所有的异步方法都是完全独立的，没有任何关系的，在上面的这个例子中，就是很好的说明，hello1是一个耗时任务，耗时大约3秒，main也是一个异步方法，但是main中需要用到hello1中的返回结果，所以他必须要等待hello1运行结束之后再才能继续执行，这就是为什么会得到上面结果的原因。这也再一次说明，异步依然是会有阻塞的。

我们也可以这样理解，因为我给事件循环只注册了一个异步方法，那就是main，当在main里面遇到了await，事件循环挂起，转而寻找其他的异步方法，但是由于只注册了一个异步方法给事件循环，他没有其他的方法可执行了，所以只能等待，让hello1执行完了，再继续执行。

2、窗体程序的假死

（1）同步假死

import tkinter as tk          # 导入 Tkinter 库
import timeclass Form:def __init__(self):self.root=tk.Tk()self.root.geometry('500x300')self.root.title('窗体程序')  #设置窗口标题self.button=tk.Button(self.root,text="开始计算",command=self.calculate)self.label=tk.Label(master=self.root,text="等待计算结果")self.button.pack()self.label.pack()self.root.mainloop()def calculate(self):time.sleep(3)  #模拟耗时计算self.label["text"]=300if __name__=='__main__':form=Form()

运行的结果就是，我单机一下“开始计算”按钮，然后窗体会假死，这时候无法移动窗体、也无法最大化最小化、3秒钟之后，“等待计算结果”的label会显示出3，然后前面移动的窗体等操作接着发生，最终效果如下：

上面的窗体会假死，这无可厚非，因为，所有的操作都是同步方法，只有一个线程，负责维护窗体状态的线程和执行好使计算的线程是同一个，当遇到time.sleep()的时候自然会遇到阻塞。那如果我们将耗时任务换成异步方法呢？代码如下：

（2）异步假死

import tkinter as tk          # 导入 Tkinter 库
import asyncioclass Form:def __init__(self):self.root=tk.Tk()self.root.geometry('500x300')self.root.title('窗体程序')  #设置窗口标题self.button=tk.Button(self.root,text="开始计算",command=self.get_loop)self.label=tk.Label(master=self.root,text="等待计算结果")self.button.pack()self.label.pack()self.root.mainloop()#定义一个异步方法，模拟耗时计算任务async def calculate(self):await asyncio.sleep(3)self.label["text"]=300#asyncio任务只能通过事件循环运行，不能直接运行异步函数def get_loop(self):self.loop=asyncio.get_event_loop()self.loop.run_until_complete(self.calculate())self.loop.close()if __name__=='__main__':form=Form()

我们发现，窗体依然会造成阻塞，情况和前面的同步方法是一样的，为什么会这样呢？因为这个地方虽然启动了事件循环，但是拥有事件循环的那个线程同时还需要维护窗体的状态，始终只有一个线程在运行，当单击“开始计算”按钮，开始执行get_loop函数，在get_loop里面启动异步方法calculate，然后遇到await，这个时候事件循环暂停，但是由于事件循环只注册了calculate一个异步方法，也没其他事情干，所以只能等待，造成假死阻塞。

解决办法就是我专门再创建一个线程去执行一些计算任务，维护窗体状态的线程就之专门负责维护状态，后面再详说。

二、多线程结合asyncio解决调用时的假死

1、asyncio专门实现Concurrency and Multithreading（多线程和并发）的函数介绍

为了让一个协程函数在不同的线程中执行，我们可以使用以下两个函数

（1）loop.call_soon_threadsafe(callback, *args)，这是一个很底层的API接口，一般很少使用，本文也暂时不做讨论。

（2）asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine，loop)

第一个参数为需要异步执行的协程函数，第二个loop参数为在新线程中创建的事件循环loop，注意一定要是在新线程中创建哦，该函数的返回值是一个concurrent.futures.Future类的对象，用来获取协程的返回结果。

future = asyncio.run_coroutine_threadsafe(coro_func(), loop) # 在新线程中运行协程

result = future.result() #等待获取Future的结果

2、不阻塞的多线程并发实例

asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine，loop)的意思很简单，就是我在新线程中创建一个事件循环loop，然后在新线程的loop中不断不停的运行一个或者是多个coroutine。参考下面代码：

import asyncio import asyncio,time,threading#需要执行的耗时异步任务
async def func(num):print(f'准备调用func,大约耗时{num}')await asyncio.sleep(num)print(f'耗时{num}之后,func函数运行结束')#定义一个专门创建事件循环loop的函数，在另一个线程中启动它
def start_loop(loop):asyncio.set_event_loop(loop)loop.run_forever()#定义一个main函数
def main():coroutine1 = func(3)coroutine2 = func(2)coroutine3 = func(1)new_loop = asyncio.new_event_loop()                        #在当前线程下创建时间循环，（未启用），在start_loop里面启动它t = threading.Thread(target=start_loop,args=(new_loop,))   #通过当前线程开启新的线程去启动事件循环t.start()asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine1,new_loop)  #这几个是关键，代表在新线程中事件循环不断“游走”执行asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine2,new_loop)asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine3,new_loop)for i in "iloveu":print(str(i)+"    ")if __name__ == "__main__":main()'''运行结果为：
i    准备调用func,大约耗时3
l    准备调用func,大约耗时2
o    准备调用func,大约耗时1
v
e
u
耗时1之后,func函数运行结束
耗时2之后,func函数运行结束
耗时3之后,func函数运行结束
'''

我们发现，main是在主线程中的，而三个协程函数是在新线程中的，它们是在一起执行的，没有造成主线程main的阻塞。下面再看一下窗体函数中的实现。

3、tkinter+threading+asyncio

import tkinter as tk          # 导入 Tkinter 库
import time
import asyncio
import threadingclass Form:def __init__(self):self.root=tk.Tk()self.root.geometry('500x300')self.root.title('窗体程序')  #设置窗口标题self.button=tk.Button(self.root,text="开始计算",command=self.change_form_state)self.label=tk.Label(master=self.root,text="等待计算结果")self.button.pack()self.label.pack()self.root.mainloop()async def calculate(self):await asyncio.sleep(3)self.label["text"]=300def get_loop(self,loop):self.loop=loopasyncio.set_event_loop(self.loop)self.loop.run_forever()def change_form_state(self):coroutine1 = self.calculate()new_loop = asyncio.new_event_loop()                        #在当前线程下创建时间循环，（未启用），在start_loop里面启动它t = threading.Thread(target=self.get_loop,args=(new_loop,))   #通过当前线程开启新的线程去启动事件循环t.start()asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine1,new_loop)  #这几个是关键，代表在新线程中事件循环不断“游走”执行if __name__=='__main__':form=Form()

运行上面的代码，我们发现，此时点击“开始计算”按钮执行耗时任务，没有造成窗体的任何阻塞，我可以最大最小化、移动等等，然后3秒之后标签会自动显示运算结果。为什么会这样？

上面的代码中，get_loop()、change_form_state()、__init__()都是定义在主线程中的，窗体的状态维护也是主线程，二耗时计算calculate()是一个异步协程函数。

现在单击“开始计算按钮”，这个事件发生之后，会触发主线程的chang_form_state函数，然后在该函数中，会创建新的线程，通过新的线程创建一个事件循环，然后将协程函数注册到新线程中的事件循环中去，达到的效果就是，主线程做主线程的，新线程做新线程的，不会造成任何阻塞。

4、multithreading+asyncio总结

第一步：定义需要异步执行的一系列操作，及一系列协程函数；

第二步：在主线程中定义一个新的线程，然后在新线程中产生一个新的事件循环；

第三步：在主线程中，通过asyncio.run_coroutine_threadsafe(coroutine,loop)这个方法，将一系列异步方法注册到新线程的loop里面去，这样就是新线程负责事件循环的执行。

三、使用asyncio实现一个timer

所谓的timer指的是，指定一个时间间隔，让某一个操作隔一个时间间隔执行一次，如此周而复始。很多编程语言都提供了专门的timer实现机制、包括C++、C#等。但是 Python 并没有原生支持 timer，不过可以用 asyncio.sleep 模拟。

大致的思想如下，将timer定义为一个异步协程，然后通过事件循环去调用这个异步协程，让事件循环不断在这个协程中反反复调用，只不过隔几秒调用一次即可。

简单的实现如下（本例基于python3.7）：

async def delay(time):await asyncio.sleep(time)async def timer(time,function):while True:future=asyncio.ensure_future(delay(time))await futurefuture.add_done_callback(function)def func(future):print('done')if __name__=='__main__':asyncio.run(timer(2,func))'''运行结果为：
done
done
done
done
done
done
done
done
done
done
done
.
.
.
.每隔2秒打印一个done
'''

几个注意点：asyncio.sleep()本身就是一个协程函数，故而可以将它封装成一个Task或者是Future，等待时间结束也就是任务完成，绑定回调函数。当然，本身python语法灵活，上面只是其中一种实现而已。