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第 14 章 协程

什么是协程

**概念：**协程（Coroutine），是一种线程内部的任务调度机制，它通过事件循环，在用户态中实现任务的挂起与恢复执行，从而在遇到 IO 操作时，不让 CPU 等待，而是继续执行其它需要 CPU 的任务。

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协程的本质就是：在一个线程里，趁着某些任务在等 IO，把 CPU 交给其它任务去用。

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**关键点1️⃣：协程不是线程，也不是进程 **

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• 协程不是操作系统提供的，并且 CPU 看不见协程。
• 操作系统不知道协程的存在。
• 协程是程序员在用户态，用代码“设计出来”的任务切换机制。

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关键点2️⃣：协程发生在一个线程内部

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• 协程不是线程之间的切换。
• 而是线程内部多个任务之间的切换。
• 本质是一个线程里，写了很多任务，由事件循环统一调度。

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关键点3️⃣：协程的核心能力：挂起与恢复

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• 当任务 遇到 IO 操作 时：任务会被挂起。
• 当 IO 操作完成后：任务会被恢复执行。

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关键点4️⃣：协程依赖一个关键角色：事件循环

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• 事件循环负责：调度任务、判断是否该挂起、决定何时恢复执行，事件循环是协程系统的“大脑”

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关键点5️⃣：协程的目标是尽量减少线程切换

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• 在单线程场景下，最大化 CPU 利用率，特别适合 IO 密集型任务

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协程函数 vs 协程对象

• 协程函数(coroutine Function)：使用『async关键字』修饰的函数，就是协程函数。
• 协程对象(coroutine Object)：调用『协程函数』，就会得到『协程对象』。

注意：调用『协程函数』，并不会执行『协程函数』中的代码。

# 定义一个协程函数asyncdefwork():print('work开始')print('work执行中......')print('work结束')return'工作结果'# 调用协程函数，会得到协程对象coroutine_object=work()

将协程对象交给asyncio.run()，asyncio.run()会将协程对象包装成一个任务交给事件循环。

# asyncio.run 方法做了3件事：# 1.创建一个事件循环。# 2.将收到的协程对象，包装成一个任务（task），交给事件循环。# 3.启动事件循环。# 注意：asyncio.run 会阻塞当前线程，直到任务执行完毕，并返回该任务 return 的最终结果。result=asyncio.run(coroutine_object)print(result)

await 关键字

await 关键有三个作用：

1. **挂起：**await 会暂停当前协程的执行。
2. **等待：**遇到 await 关键字，事件循环会立即安排 await 后面的对象去执行，并等待该对象执行完成，并且可以拿到执行结果。

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**💡****关键点：**在执行 await 后面的对象时，会出现两种情况:

• 情况一：如果在执行该对象中的代码时，遇到了【await I/O操作】（需要等待外部资源返回结果的操作）例如：网络请求、文件读写等，那 CPU 的控制权就会交给事件循环。事件循环会去调度循环中的其他任务（如果有的话）。
• **情况二：**如果该对象中的代码，不包含任何【await I/O操作】。例如：print打印、数学计算、逻辑计算等。此时事件循环拿不到 CPU 控制权，无法调度循环中的其他任务，不会发生任务切换。

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3. **恢复：**当 await 后的对象执行完毕，事件循环会恢复之前被挂起的协程，该协程会从当时挂起的位置继续执行，并拿到返回值。

🚨****注意：await 后面只能写『可等待对象』，常见可等待对象有：协程对象、Future对象、Task对象。

importasyncioasyncdefwork():print('work开始')print('work执行中......')# await去等待一个协程对象（靠asyncio.sleep方法，返回一个协程对象）res=awaitasyncio.sleep(2)print(res)print('work结束')return'工作结果'asyncdefmain():print('main开始')# await去等待一个协程对象（靠自己去编写协程函数，随后调用该函数来得到协程对象）res=awaitwork()print(res)print('main结束')return'main的返回值'result=asyncio.run(main())print(result)

多个任务同步执行

使用 await 实现多个任务同步执行

importasyncioimporttime# 定义一个协程函数asyncdefwork(n,delay):print(f'work{n}开始')print(f'work{n}执行中......')# 模拟一个IO等待awaitasyncio.sleep(delay)print(f'work{n}结束')returnf'work{n}的返回值'asyncdefmain():print('main开始')start=time.time()# 调用三次work函数，分别得到三个协程对象coroutine1=work(1,2)coroutine2=work(2,2)coroutine3=work(3,2)# 此处会等待coroutine1执行完成res1=awaitcoroutine1print(res1)# 等待上面的coroutine1完成后，再等待coroutine2完成res2=awaitcoroutine2print(res2)# 等待上面的coroutine2完成后，再等待coroutine3完成res3=awaitcoroutine3print(res3)print('main结束',time.time()-start)return'我是main的返回值'# 将协程对象交给事件循环result=asyncio.run(main())print(result)

多个任务异步执行

使用asyncio.create_task()方法向事件循环中添加任务，从而实现多个任务异步执行。

importasyncioimporttime# 定义一个协程函数asyncdefwork(n,delay):print(f'work{n}开始')print(f'work{n}执行中......')# 模拟一个IO等待awaitasyncio.sleep(delay)print(f'work{n}结束')returnf'work{n}的返回值'asyncdefmain():print('main开始')start=time.time()# asyncio.create_task 会把一个协程对象包装成一个可被事件循环调度的任务，并注册到事件循环中task1=asyncio.create_task(work(1,2))task2=asyncio.create_task(work(2,2))task3=asyncio.create_task(work(3,2))# 此处会等待task1执行完成res1=awaittask1print(res1)# 等待上面的task1完成后，再等待task2完成res2=awaittask2print(res2)# 等待上面的task2完成后，再等待task3完成res3=awaittask3print(res3)print('main结束',time.time()-start)return'我是main的返回值'# 将协程对象交给事件循环result=asyncio.run(main())print(result)

asyncio.gather

asyncio.gather方法可以把多个协程对象丢给事件循环，并在全部执行完后，一次性拿到所有结果。

importasyncioimporttime# 定义一个协程函数asyncdefwork(n,delay):print(f'work{n}开始')print(f'work{n}执行中......')# 模拟一个IO等待awaitasyncio.sleep(delay)print(f'work{n}结束')returnf'work{n}的返回值'asyncdefmain():print('main开始')start=time.time()# 把多个协程对象同时丢给事件循环，并在全部执行完后，一次性拿到所有结果。result=awaitasyncio.gather(work(1,2),work(2,2),work(3,2))print(result)print('main结束',time.time()-start)return'我是main的返回值'# 将协程对象交给事件循环result=asyncio.run(main())print(result)

下载图片案例

1️⃣使用传统方式下载图片：

如下代码的特点：图片是一张一张下载的，当前图片没有下载完成，后一张图片的下载就不能开始，这属于典型的同步下载。

importrequestsdefdownload_picture(url):print(f'开始下载：{url}')# 发送网络请求，获取这张图片response=requests.get(url)print('下载完毕')# 保存图片到本地withopen(url[-10:],'wb')asfile:file.write(response.content)defmain():url_list=['https://n.sinaimg.cn/spider20260129/217/w600h417/20260129/3e26-917ee55a8a42b8626807c332c24981de.png','https://n.sinaimg.cn/finance/transform/97/w630h267/20260129/97c4-b211cc51784830f09ee19e450475c93b.png','https://n.sinaimg.cn/spider20260129/539/w1439h700/20260129/e09a-cc2ca319e00f701ccfca3ebc62aa8772.png']forurlinurl_list:download_picture(url)main()

2️⃣使用协程方式下载图：

如下代码的特点：多张图片会几乎同时发起下载请求，当某一张图片在等待网络数据返回时，其它图片的下载任务并不会被阻塞，而是可以继续执行，这属于典型的协程并发下载。

importaiohttpimportasyncioasyncdefdownload_picture(session,url):print(f'开始下载：{url}')# 发送网络请求，获取这张图片，请求发出去后，要等待服务器把数据返回，等的这段时间就是IO等待response=awaitsession.get(url)# 等待数据（图片数据可能分多次传输，需要等待数据全部读完，等的这段时间也是IO等待）content=awaitresponse.read()print('下载完毕')# 保存图片到本地withopen(url[-10:],'wb')asfile:file.write(content)# 释放连接资源（告诉 aiohttp，这个连接我不用了，你可以回收了）awaitresponse.release()asyncdefmain():url_list=['https://n.sinaimg.cn/spider20260129/217/w600h417/20260129/3e26-917ee55a8a42b8626807c332c24981de.png','https://n.sinaimg.cn/finance/transform/97/w630h267/20260129/97c4-b211cc51784830f09ee19e450475c93b.png','https://n.sinaimg.cn/spider20260129/539/w1439h700/20260129/e09a-cc2ca319e00f701ccfca3ebc62aa8772.png']# 创建会话对象（发请求的工具）session=aiohttp.ClientSession()# 创建多个协程对象coroutine_list=[download_picture(session,url)forurlinurl_list]# 将多个协程对象交给事件循环awaitasyncio.gather(*coroutine_list)# 关闭会话awaitsession.close()asyncio.run(main())