面试题：Python线程替代方案中的异步编程

Question

`asyncio`是Python进行异步编程的库，常被视为线程的替代方案之一。请详细阐述`asyncio`中`async`、`await`关键字的作用，以及如何使用`asyncio`创建一个简单的异步任务，并说明它在高并发I/O场景下相较于线程的优势。

Answer 1

async关键字作用

1. 定义异步函数：在Python中，使用async关键字来定义一个异步函数。异步函数在调用时，并不会立即执行函数体中的代码，而是返回一个coroutine对象。例如：

async def async_function():
    print('这是一个异步函数')

2. 表明函数是异步可挂起的：异步函数内可以包含await表达式，这使得函数在执行到await时可以暂停执行，将控制权交回给事件循环，直到被await的coroutine完成。

await关键字作用

1. 暂停异步函数执行：await只能在async定义的函数内部使用。当执行到await时，它会暂停当前异步函数的执行，等待一个coroutine对象完成（通常是I/O操作完成）。例如：

import asyncio

async def inner_async():
    await asyncio.sleep(1)
    return '内部异步函数完成'

async def outer_async():
    result = await inner_async()
    print(result)

2. 获取coroutine的返回值：await表达式会返回被等待的coroutine的返回值。在上述例子中，await inner_async()会等待inner_async执行完毕，并将其返回值赋给result。

使用asyncio创建简单异步任务

1. 创建异步函数：首先定义一个或多个异步函数，如：

import asyncio

async def task_function():
    print('开始执行任务')
    await asyncio.sleep(2)
    print('任务执行完成')

2. 创建事件循环并运行任务：使用asyncio.get_event_loop()获取事件循环对象，然后使用loop.run_until_complete()方法来运行异步任务。例如：

loop = asyncio.get_event_loop()
try:
    loop.run_until_complete(task_function())
finally:
    loop.close()

在Python 3.7及以上版本，还可以使用更简洁的asyncio.run()来运行异步任务：

async def task_function():
    print('开始执行任务')
    await asyncio.sleep(2)
    print('任务执行完成')

asyncio.run(task_function())

在高并发I/O场景下相较于线程的优势

1. 资源消耗低：线程的创建和销毁需要消耗较多的系统资源，每个线程都需要占用一定的栈空间等。而asyncio基于协程，在用户态进行调度，不需要像线程那样切换上下文，创建和销毁的开销小，适合处理大量并发任务。例如，创建数以万计的线程可能会导致系统资源耗尽，但使用asyncio创建数以万计的协程任务则相对轻松。
2. 避免全局解释器锁（GIL）限制：在Python中，由于GIL的存在，同一时刻只有一个线程能执行Python字节码，这使得多线程在CPU密集型任务中无法充分利用多核优势。而asyncio的异步编程模型是基于事件循环和协程，不存在GIL的限制，在I/O密集型场景下可以更高效地利用系统资源，提升并发性能。
3. 代码逻辑相对简单：线程编程中，为了保证数据的一致性和避免竞态条件，需要使用锁、信号量等同步机制，这使得代码变得复杂且容易出错。asyncio通过异步函数和await关键字，以更线性的方式编写异步代码，代码逻辑相对清晰，更易于理解和维护。