協(xié)程系列(3) Python asyncio 中的 Future 和 Task
本文將深入探討 Python asyncio 中的 Future 和 Task，為讀者提供對這些核心概念的全面理解。在學(xué)習 asyncio 之前，建議讀者先理解協(xié)程的定義以及 async def 和 await 的基本用法。
asyncio 是 Python 3.4 版本引入的標準庫，它提供了一系列 API，支持異步 I/O、異步網(wǎng)絡(luò)等操作。同時，它也提供了工具，如協(xié)程、任務(wù)和事件循環(huán)，以編寫并發(fā)代碼。
asyncio 的實現(xiàn)包含 C 語言加速版本和等效的 Python 實現(xiàn)作為備份，二者在目標上一致，本文將基于易于理解的 Python 實現(xiàn)進行講解。
在 asyncio 中，F(xiàn)uture 是同步代碼與異步代碼之間的橋梁。它記錄任務(wù)的狀態(tài)和結(jié)果或異常，并允許用戶等待結(jié)果或取消任務(wù)。值得注意的是，F(xiàn)uture 具有 `__await__` 方法，當調(diào)用 `await` 時，會觸發(fā)此方法，返回一個生成器，使調(diào)用者等待 Future 的完成。
Task 是 Future 的子類，用于將協(xié)程對象包裝為 Future。Task 的核心邏輯在于 `__step` 方法，它用于執(zhí)行協(xié)程，并處理協(xié)程的完成狀態(tài)。如果協(xié)程拋出 `StopIteration` 異常，說明協(xié)程執(zhí)行完畢，并將結(jié)果設(shè)置到 Future 上。如果協(xié)程產(chǎn)生異常，如被取消或接收到退出信號，將相應(yīng)處理。如果協(xié)程yield出的是一個 asyncio.Future 對象，Task 會將自己加入到該 Future 的完成回調(diào)中。如果yield出的是 None，Task 會將自己加入到事件循環(huán)中。
Task 有三類基本狀態(tài)：執(zhí)行中、已完成和已取消。當協(xié)程執(zhí)行完畢或被取消時，Task 會根據(jù)情況進入已完成或已取消狀態(tài)。
在并發(fā)執(zhí)行多個協(xié)程時，`asyncio.gather` 函數(shù)非常實用，它允許用戶同時等待多個協(xié)程的執(zhí)行結(jié)果。使用方法是將所有協(xié)程、生成器或 Future 對象包裝成 Future 對象，并為最終的 `outer` Future 注冊完成回調(diào)。當所有輸入的 Future 對象完成時，`outer` Future 也將完成。
Future 和 Task 在 asyncio 中扮演著至關(guān)重要的角色，它們是同步代碼與異步代碼之間的橋梁。Future 的抽象層次低于 Task，有時僅用于等待 IO 完成或定時器到期等非協(xié)程相關(guān)操作。
本文作者為清華大學(xué)畢業(yè)生，具有 C++/Rust/Python 高級工程師資質(zhì)，同時也是 Python 解釋器 CPython 的維護者之一。部分內(nèi)容由 AI 輔助創(chuàng)作。
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