Python異步IO分析

異步操作在計(jì)算機(jī)軟硬件體系中是一個(gè)普遍概念，根源在于參與協(xié)作的各實(shí)體處理速度上有明顯差異。軟件開發(fā)中遇到的多數(shù)情況是CPU與IO的速度不匹配，所以異步IO存在于各種編程框架中，客戶端比如瀏覽器，服務(wù)端比如node.js。本文主要分析Python異步IO。

Python 3.4標(biāo)準(zhǔn)庫有一個(gè)新模塊asyncio，用來支持異步IO，不過目前API狀態(tài)是provisional，意味著不保證向后兼容性，甚至可能從標(biāo)準(zhǔn)庫中移除（可能性極低）。如果關(guān)注PEP和Python-Dev會(huì)發(fā)現(xiàn)該模塊醞釀了很長時(shí)間，可能后續(xù)有API和實(shí)現(xiàn)上的調(diào)整，但毋庸置疑asyncio非常實(shí)用且功能強(qiáng)大，值得學(xué)習(xí)和深究。

示例

asyncio主要應(yīng)對TCP/UDP socket通信，從容管理大量連接，而無需創(chuàng)建大量線程，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。此處將官方文檔的一個(gè)示例做簡單改造，實(shí)現(xiàn)一個(gè)HTTP長連接benchmark工具，用于診斷WEB服務(wù)器長連接處理能力。

功能概述：

每隔10毫秒創(chuàng)建10個(gè)連接，直到目標(biāo)連接數(shù)（比如10k），同時(shí)每個(gè)連接都會(huì)規(guī)律性的向服務(wù)器發(fā)送HEAD請求，以維持HTTP keepavlie。

代碼如下：

importargparse

importasyncio

importfunctools

importlogging

importrandom

importurllib.parse

loop=asyncio.get_event_loop()

@asyncio.coroutine

defprint_http_headers(no,url,keepalive):

url=urllib.parse.urlsplit(url)

wait_for=functools.partial(asyncio.wait_for,timeout=3,loop=loop)

query=('HEAD {url.path} HTTP/1.1\r\n'

'Host: {url.hostname}\r\n'

'\r\n').format(url=url).encode('utf-8')

rd,wr=yieldfromwait_for(asyncio.open_connection(url.hostname,80))

whileTrue:

wr.write(query)

whileTrue:

line=yieldfromwait_for(rd.readline())

ifnotline:# end of connection

wr.close()

returnno

line=line.decode('utf-8').rstrip()

ifnotline:# end of header

break

logging.debug('(%d) HTTP header> %s'%(no,line))

yieldfromasyncio.sleep(random.randint(1,keepalive//2))

@asyncio.coroutine

defdo_requests(args):

conn_pool=set()

waiter=asyncio.Future()

def_on_complete(fut):

conn_pool.remove(fut)

exc,res=fut.exception(),fut.result()

ifexcisnotNone:

logging.info('conn#{} exception'.format(exc))

else:

logging.info('conn#{} result'.format(res))

ifnotconn_pool:

waiter.set_result('event loop is done')

foriinrange(args.connections):

fut=asyncio.async(print_http_headers(i,args.url,args.keepalive))

fut.add_done_callback(_on_complete)

conn_pool.add(fut)

ifi%10==0:

yieldfromasyncio.sleep(0.01)

logging.info((yieldfromwaiter))

defmain():

parser=argparse.ArgumentParser(description='asyncli')

parser.add_argument('url',help='page address')

parser.add_argument('-c','--connections',type=int,default=1,

help='number of connections simultaneously')

parser.add_argument('-k','--keepalive',type=int,default=60,

help='HTTP keepalive timeout')

args=parser.parse_args()

logging.basicConfig(level=logging.INFO,format='%(asctime)s %(message)s')

loop.run_until_complete(do_requests(args))

loop.close()

if__name__=='__main__':

main()

測試與分析

硬件：CPU 2.3GHz / 2 cores，RAM 2GB

軟件：CentOS 6.5(kernel 2.6.32), Python 3.3 (pip install asyncio), nginx 1.4.7

參數(shù)設(shè)置：ulimit -n 10240；nginx worker的連接數(shù)改為10240

啟動(dòng)WEB服務(wù)器，只需一個(gè)worker進(jìn)程：

# ../sbin/nginx

# ps ax | grep nginx

2007 ? Ss 0:00 nginx: master process ../sbin/nginx

2008 ? S 0:00 nginx: worker process

啟動(dòng)benchmark工具, 發(fā)起10k個(gè)連接，目標(biāo)URL是nginx的默認(rèn)測試頁面:

$ python asyncli.py http://10.211.55.8/ -c 10000

nginx日志統(tǒng)計(jì)平均每秒請求數(shù)：

# tail -1000000 access.log | awk '{ print $4 }' | sort | uniq -c | awk '{ cnt+=1; sum+=$1 } END { printf "avg = %d\n", sum/cnt }'

avg = 548

top部分輸出：

VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

657m 115m 3860 R 60.2 6.2 4:30.02 python

54208 10m 848 R 7.0 0.6 0:30.79 nginx

總結(jié)：

1. Python實(shí)現(xiàn)簡潔明了。不到80行代碼，只用到標(biāo)準(zhǔn)庫，邏輯直觀，想象下C/C++標(biāo)準(zhǔn)庫實(shí)現(xiàn)這些功能，頓覺“人生苦短，我用Python”。

2. Python運(yùn)行效率不理想。當(dāng)連接建立后，客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)收發(fā)邏輯差不多，看上面top輸出，Python的CPU和RAM占用基本都是nginx的10倍，意味著效率相差100倍（CPU x RAM），側(cè)面說明了Python與C的效率差距。這個(gè)對比雖然有些極端，畢竟nginx不僅用C且為CPU/RAM占用做了深度優(yōu)化，但相似任務(wù)效率相差兩個(gè)數(shù)量級，除非是BUG，說明架構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是不同的，Python優(yōu)先可讀易用而性能次之，nginx就是一個(gè)高度優(yōu)化的WEB服務(wù)器，開發(fā)一個(gè)module都比較麻煩，要復(fù)用它的異步框架，簡直難上加難。開發(fā)效率與運(yùn)行效率的權(quán)衡，永遠(yuǎn)都存在。

3. 單線程異步IO v.s. 多線程同步IO。上面的例子是單線程異步IO，其實(shí)不寫demo就知道多線程同步IO效率低得多，每個(gè)線程一個(gè)連接？10k個(gè)線程，僅線程棧就占用600+MB（64KB * 10000）內(nèi)存，加上線程上下文切換和GIL，基本就是噩夢。

ayncio核心概念

以下是學(xué)習(xí)asyncio時(shí)需要理解的四個(gè)核心概念，更多細(xì)節(jié)請看<參考資料>

1. event loop。單線程實(shí)現(xiàn)異步的關(guān)鍵就在于這個(gè)高層事件循環(huán)，它是同步執(zhí)行的。

2. future。異步IO有很多異步任務(wù)構(gòu)成，而每個(gè)異步任務(wù)都由一個(gè)future控制。

3. coroutine。每個(gè)異步任務(wù)具體的執(zhí)行邏輯由一個(gè)coroutine來體現(xiàn)。

4. generator(yield & yield from) 。在asyncio中大量使用，是不可忽視的語法細(xì)節(jié)。