Python协程怎么写？协程与多线程的区别详解

想知道Python协程怎么写？它和多线程有什么本质区别？本文深入解析Python协程，这是一种更轻量级的并发方式，让你在单线程中实现“同时”运行多个任务，无需繁重的上下文切换。通过asyncio库和async/await关键字，轻松掌握协程的编写技巧。文章对比了协程与多线程的优劣，揭示了协程在IO密集型任务中的优势，以及事件循环在协程调度中的关键作用。同时，还介绍了协程中的异常处理和上下文管理器的使用，助你编写更健壮、高效的Python并发程序。无论你是Python新手还是经验丰富的开发者，都能从中受益，提升你的并发编程能力。

Python协程是一种比线程更轻量级的并发方式，可在单线程中“同时”运行多个任务，无需真正的上下文切换。1. 它通过asyncio库及async和await关键字实现；2. 协程与多线程不同，是用户态并发，由程序员控制切换，开销小；3. 优势包括轻量、高并发性、避免锁竞争；4. 劣势在于易受阻塞操作影响、依赖事件循环、学习成本高；5. IO密集型任务适合协程，CPU密集型任务则更适合多线程；6. 事件循环负责调度协程执行、处理IO事件，并在协程间切换；7. 异常处理使用try...except捕获，未捕获异常会导致程序崩溃；8. 上下文管理器使用async with语句，确保资源正确释放。

Python协程，简单来说，就是一种比线程更轻量级的并发方式。它允许你在单线程中“同时”运行多个任务，而不需要像线程那样进行真正的上下文切换，效率更高。

Python实现协程主要依赖于asyncio库，以及async和await关键字。async定义一个协程函数，await用于挂起协程，等待另一个协程的结果。

import asyncio

async def task1():
    print("Task 1 started")
    await asyncio.sleep(1)  # 模拟耗时操作
    print("Task 1 finished")

async def task2():
    print("Task 2 started")
    await asyncio.sleep(2)  # 模拟耗时操作
    print("Task 2 finished")

async def main():
    await asyncio.gather(task1(), task2())

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

在这个例子中，task1和task2都是协程函数。asyncio.gather用于并发执行这两个协程。注意，这里并没有创建新的线程，所有的任务都在同一个线程中执行。

协程与多线程的区别？

协程和多线程都是实现并发的方式，但它们有本质的不同。多线程是操作系统级别的并发，每个线程都有自己的栈空间和程序计数器，上下文切换需要操作系统内核的参与，开销较大。协程是用户态的并发，上下文切换由程序员控制，不需要操作系统内核的参与，开销较小。可以把协程理解为“微线程”或者“用户级线程”。

协程的优势在于：

• 轻量级： 协程的创建和销毁开销远小于线程。
• 更高的并发性： 在单线程中可以运行大量的协程。
• 避免锁竞争： 由于协程运行在同一个线程中，不需要像多线程那样使用锁来保护共享资源。

协程的劣势在于：

• 阻塞操作： 如果一个协程执行了阻塞操作（例如IO操作），整个线程都会被阻塞。
• 需要事件循环： 协程需要一个事件循环来调度任务。
• 学习成本： 协程编程模型相对复杂，需要理解async/await等概念。

如何选择协程还是多线程？

如何选择协程还是多线程取决于具体的应用场景。如果你的应用是IO密集型的，例如网络编程，协程通常是更好的选择，因为它可以避免线程切换的开销，提高并发性。如果你的应用是CPU密集型的，例如计算密集型的任务，多线程可能更适合，因为它可以利用多核CPU的优势。但要注意，多线程编程需要处理锁竞争等问题，比较复杂。

Python协程的事件循环机制是什么？

事件循环是协程的核心。它负责调度协程的执行顺序，处理IO事件，以及在协程之间切换。可以把事件循环想象成一个“总调度室”，它负责监听各种事件（例如IO事件，定时器事件），并将这些事件分发给相应的协程处理。

asyncio库提供了默认的事件循环实现，可以通过asyncio.get_event_loop()获取当前线程的事件循环。也可以自定义事件循环，但通常没有必要。

事件循环的工作流程大致如下：

1. 注册事件：协程将需要监听的事件（例如IO事件）注册到事件循环中。
2. 循环监听：事件循环不断地监听注册的事件。
3. 事件触发：当某个事件发生时，事件循环会找到对应的协程，并将其唤醒。
4. 协程执行：被唤醒的协程开始执行，直到遇到await关键字或者执行完毕。
5. 切换协程：当协程遇到await关键字时，它会将控制权交还给事件循环，事件循环会选择下一个可以执行的协程。

Python协程如何处理异常？

协程中的异常处理与普通函数类似，可以使用try...except语句来捕获异常。但是，需要注意的是，如果一个协程中发生了未捕获的异常，它会传播到事件循环中，导致整个程序崩溃。

为了避免这种情况，应该在协程中尽可能地捕获异常。可以使用try...except语句来捕获异常，也可以使用asyncio.ensure_future()或者asyncio.create_task()来创建任务，并使用task.result()方法来获取任务的结果，如果任务抛出异常，task.result()会抛出同样的异常。

import asyncio

async def task_with_exception():
    print("Task with exception started")
    await asyncio.sleep(1)
    raise ValueError("Something went wrong")
    print("Task with exception finished") # 这行不会执行

async def main():
    try:
        await task_with_exception()
    except ValueError as e:
        print(f"Caught exception: {e}")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

在这个例子中，task_with_exception协程会抛出一个ValueError异常。main协程使用try...except语句来捕获这个异常，并打印错误信息。

协程中的上下文管理器如何使用？

上下文管理器可以确保在代码块执行完毕后，资源能够被正确地释放，即使代码块中发生了异常。在协程中，可以使用async with语句来使用异步上下文管理器。

import asyncio

class AsyncContextManager:
    async def __aenter__(self):
        print("Entering context")
        return self

    async def __aexit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        print("Exiting context")

async def main():
    async with AsyncContextManager() as cm:
        print("Inside context")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

在这个例子中，AsyncContextManager是一个异步上下文管理器，它实现了__aenter__和__aexit__方法。__aenter__方法在进入上下文时被调用，__aexit__方法在退出上下文时被调用，无论代码块是否发生了异常。async with语句可以确保__aexit__方法被正确地调用，即使代码块中发生了异常。

到这里，我们也就讲完了《Python协程怎么写？协程与多线程的区别详解》的内容了。个人认为，基础知识的学习和巩固，是为了更好的将其运用到项目中，欢迎关注golang学习网公众号，带你了解更多关于并发,asyncio,事件循环,async/await,Python协程的知识点！