Day 056 — asyncio 原理解析图解
1. 事件循环工作流程
flowchart TD
A[事件循环启动] --> B{就绪队列有任务?}
B -->|是| C[取出一个协程]
B -->|否| D{有 I/O 事件?}
C --> E[执行协程直到 await]
E --> F{遇到 await?}
F -->|否| G[协程完成]
F -->|是| H{await 的是 I/O?}
H -->|是| I[注册到 I/O 监听器]
H -->|否| J[注册到定时器]
I --> K[继续下一个就绪协程]
J --> K
G --> L[结果存入 Future]
K --> B
D -->|是| M[触发对应回调]
D -->|否| N[等待下一个事件]
M --> O[恢复对应协程]
O --> E
N --> B
flowchart TD
A[事件循环启动] --> B{就绪队列有任务?}
B -->|是| C[取出一个协程]
B -->|否| D{有 I/O 事件?}
C --> E[执行协程直到 await]
E --> F{遇到 await?}
F -->|否| G[协程完成]
F -->|是| H{await 的是 I/O?}
H -->|是| I[注册到 I/O 监听器]
H -->|否| J[注册到定时器]
I --> K[继续下一个就绪协程]
J --> K
G --> L[结果存入 Future]
K --> B
D -->|是| M[触发对应回调]
D -->|否| N[等待下一个事件]
M --> O[恢复对应协程]
O --> E
N --> B
2. 同步 vs 异步执行对比
同步执行（阻塞模型）：
═══════════════════════════════════════════════════════════
任务1: ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
任务2: ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░████████████████████░░░░░░░░░░░░
任务3: ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░████████████
├────────────────────┼────────────────────┼──────────►
0s 5s 10s 时间
总耗时: ~10s（串行等待）
异步执行（非阻塞模型）：
═══════════════════════════════════════════════════════════
任务1: ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
任务2: ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
任务3: ████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
├────────────────────┼──────────────────────────────►
0s 5s 时间
总耗时: ~5s（并发执行）
3. asyncio.gather() 并发原理
sequenceDiagram
participant Main as 主协程
participant Loop as 事件循环
participant T1 as Task 1
participant T2 as Task 2
participant T3 as Task 3
Main->>Loop: gather(task1, task2, task3)
Loop->>T1: 调度执行
Loop->>T2: 调度执行
Loop->>T3: 调度执行
T1->>Loop: await I/O (挂起)
T2->>Loop: await I/O (挂起)
T3->>Loop: await I/O (挂起)
Note over Loop: 等待 I/O 完成...
Loop->>T1: I/O 完成，恢复执行
Loop->>T2: I/O 完成，恢复执行
Loop->>T3: I/O 完成，恢复执行
T1-->>Main: 返回结果 1
T2-->>Main: 返回结果 2
T3-->>Main: 返回结果 3
Main->>Main: 收集所有结果
sequenceDiagram
participant Main as 主协程
participant Loop as 事件循环
participant T1 as Task 1
participant T2 as Task 2
participant T3 as Task 3
Main->>Loop: gather(task1, task2, task3)
Loop->>T1: 调度执行
Loop->>T2: 调度执行
Loop->>T3: 调度执行
T1->>Loop: await I/O (挂起)
T2->>Loop: await I/O (挂起)
T3->>Loop: await I/O (挂起)
Note over Loop: 等待 I/O 完成...
Loop->>T1: I/O 完成，恢复执行
Loop->>T2: I/O 完成，恢复执行
Loop->>T3: I/O 完成，恢复执行
T1-->>Main: 返回结果 1
T2-->>Main: 返回结果 2
T3-->>Main: 返回结果 3
Main->>Main: 收集所有结果
4. Task 生命周期状态图
stateDiagram-v2
[*] --> Pending: create_task()
Pending --> Running: 事件循环调度
Running --> Done: 协程完成
Running --> Done: 协程抛出异常
Running --> Cancelled: cancel() 被调用
state Done {
[*] --> HasResult: 正常完成
[*] --> HasException: 异常完成
HasResult: result 可用
HasException: exception 可用
}
state Cancelled {
[*] --> CancelledError: await 时抛出
}
stateDiagram-v2
[*] --> Pending: create_task()
Pending --> Running: 事件循环调度
Running --> Done: 协程完成
Running --> Done: 协程抛出异常
Running --> Cancelled: cancel() 被调用
state Done {
[*] --> HasResult: 正常完成
[*] --> HasException: 异常完成
HasResult: result 可用
HasException: exception 可用
}
state Cancelled {
[*] --> CancelledError: await 时抛出
}
5. Semaphore 限流原理
请求队列: [R1] [R2] [R3] [R4] [R5] [R6] [R7] [R8] [R9] [R10]
│
▼
┌─────────────────┐
│ Semaphore(3) │
│ 可用槽位: 3 │
└─────────────────┘
│
┌─────────────┼─────────────┐
▼ ▼ ▼
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ Worker 1│ │ Worker 2│ │ Worker 3│
│ (R1) │ │ (R2) │ │ (R3) │
└────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘
│ │ │
▼ ▼ ▼
完成释放槽位 → R4 进入 → R5 进入 → ...
6. await 挂起与恢复流程
flowchart LR
A[执行协程] --> B[遇到 await]
B --> C[保存当前状态]
C --> D[控制权交给事件循环]
D --> E[事件循环执行其他协程]
E --> F[I/O 完成 / 定时器到期]
F --> G[恢复协程状态]
G --> H[继续执行后续代码]
flowchart LR
A[执行协程] --> B[遇到 await]
B --> C[保存当前状态]
C --> D[控制权交给事件循环]
D --> E[事件循环执行其他协程]
E --> F[I/O 完成 / 定时器到期]
F --> G[恢复协程状态]
G --> H[继续执行后续代码]
7. 错误处理流程
flowchart TD
A[协程执行] --> B{抛出异常?}
B -->|否| C[正常完成]
B -->|是| D{是 Task?}
D -->|是| E[异常存储在 Task 中]
D -->|否| F[直接传播]
E --> G{await Task?}
G -->|是| H[重新抛出异常]
G -->|否| I[Python 发出警告]
F --> J[try/except 捕获]
H --> J
flowchart TD
A[协程执行] --> B{抛出异常?}
B -->|否| C[正常完成]
B -->|是| D{是 Task?}
D -->|是| E[异常存储在 Task 中]
D -->|否| F[直接传播]
E --> G{await Task?}
G -->|是| H[重新抛出异常]
G -->|否| I[Python 发出警告]
F --> J[try/except 捕获]
H --> J