asyncio异步IO——Streams详解

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前言

本文翻译自python3.7官方文档——asyncio-stream,译者马鸣谦,邮箱 1612557569@qq.com。转载请注明出处。

数据流（Streams）

数据流（Streams）是用于处理网络连接的高阶异步/等待就绪(async/await-ready)原语,可以在不使用回调和底层传输协议的情况下发送和接收数据。

以下是一个用asyncio实现的TCP回显客户端：

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import asyncio

async def tcp_echo_client(message):
    reader, writer = await asyncio.open_connection(
        '127.0.0.1', 8888)

    print(f'Send: {message!r}')
    writer.write(message.encode())

    data = await reader.read(100)
    print(f'Received: {data.decode()!r}')

    print('Close the connection')
    writer.close()
    await writer.wait_closed()

asyncio.run(tcp_echo_client('Hello World!'))

完整代码见例子一节。

Stream方法

以下所列的高层asyncio方法可以被用作创建和处理Stream：

  • coroutine asyncio.open_connection(host=None,*,loop=None,limit=None,ssl=None,family=0,proto=0,flags=0,sock=None,local_addr=None,server_hostname=None,ssl_handshake_timeout=None)

    • 创建一个网络连接，并返回一对（reader,writer）对象。
    • 返回的reader和writer对象是StreamReader和StreamWriter类的实例。
    • loop是可选参数，在此方法被某个协程await时能够自动确定。
    • limit限定返回的StreamReader实例使用的缓冲区大小。默认情况下，缓冲区限制为64KiB。
    • 其余的参数被直接传递给loop.create_connection()。
    • python3.7新增：ssl_handshake_timeout参数。

  • coroutine asyncio.start_server(client_connected_cb,host=None,port=None,*,loop=None,limit=None,family=socket.AF_UNSPEC,flags=socket.AI_PASSIVE,sock=None,backlog=100,ssl=None,reuse_address=None,reuse_port=None,ssl_handshake_timeout=None,start_serving=True)

    • 启动一个socket服务端。
    • client_connected_cb指定的回调函数，在新连接建立的时候被调用。该回调函数接收StreamReader和StreamWriter类的‘实例对’(reader,writer)作为两个参数。
    • client_connected_cb可以是普通的可调用函数，也可以是协程函数。如果是协程函数，那么会被自动封装为Task对象处理。
    • loop是可选参数，在此方法被某个协程await时能够自动确定。
    • limit限定返回的StreamReader实例使用的缓冲区大小。默认情况下，缓冲区限定值为64KiB。
    • 其余的参数被直接传递给loop.create_server()。
    • python3.7新增：ssl_handshake_timeout和start_serving参数。

Unix Sockets

  • coroutine asyncio.open_unix_connection(path=None,*,loop=None,limit=None,ssl=None,sock=None,server_hostname=None,ssl_handshake_timeout=None)

    • 创建一个Unix socket连接，并返回一对(reader,writer)对象。
    • 与open_connection类似，只是运行在Unix sockets上。
    • 另见loop.create_unix_connection()
    • 可用于：Unix
    • python3.7新增：ssl_handshake_timeout参数。
    • python3.7修正：path参数可以为类path(path-like)对象

  • coroutine asyncio.start_unix_server(client_connected_cb, path=None, *, loop=None, limit=None, sock=None, backlog=100, ssl=None, ssl_handshake_timeout=None, start_serving=True)

    • 启动一个Unix socket 服务端。
    • 类似于start_server,只是运行在Unix sockets上。
    • 另见loop.create_unix_server
    • 可用于：Unix
    • python3.7新增：ssl_handshake_timeout参数。
    • python3.7修正：path参数可以为类path(path-like)对象

StreamReader

class asyncio.StreamReader

定义一个读取器对象，提供从IO数据流中读取数据的API。
不建议 直接实例化StreamReader对象。建议通过open_connection()或start_server()创建此类对象。

  • coroutine read(n=-1)
    • 最多读取n字节数据。如果n未设置，或被设置为-1，则读取至EOF标志，并返回读到的所有字节。
    • 如果在缓冲区仍为空时遇到EOF，则返回一个空的bytes对象。

  • coroutine readline()

    • 读取一行（以\n为标志）。
    • 如果在找到\n之前遇到EOF，则返回已读取到的数据段。
    • 如果遇到EOF时内部缓冲区仍为空，则返回空的bytes对象。

  • coroutine readexactly(n)

    • 精确读取n字节数据。
    • 如果在尚未读够n字节时遇到EOF，则引发IncompleteReadError异常。已经读取的部分数据可以通过IncompleteReadError.partial属性获取。

  • coroutine readuntil(separator=b’\n’)

    • 从数据流中读取数据直到遇到separator。
    • 如果执行成功，读到的数据和分隔符将从内部缓冲区里移除。返回的数据会在末尾包含分隔符。
    • 如果读取数据的总量超过了配置的数据流缓冲区限制，则引发LimitOverrunError,数据会被留在内部缓冲区中，可以被再次读取。
    • 如果在找到separator分隔符之前遇到EOF，则引发IncompleteReadError异常，内部缓冲区会被重置。IncompleteReadError.partial属性会包含部分separator。
    • python3.5.2新增。

  • at_eof()

    • 如果缓冲区为空，且feed_eof()被调用，则返回True。

StreamWriter

class asyncio.StreamWriter

定义一个写入器对象，提供向IO数据流中写入数据的API。
不建议直接实例化StreamWriter对象，建议通过open_connection或start_server实例化对象。

  • can_writer_eof()

    • 如果下层传输支持write_eof方法，则返回True,否则返回False。

  • write_eof()

    • 在缓冲的写入数据被刷新后，关闭数据流的写入端。

  • transport

    • 返回下层的asyncio传输。

  • get_extra_info(name,default=None)

    • 访问可选的传输信息。

  • write(data)

    • 向数据流中写入数据。
    • 此方法不受流量控制的影响。write()应同drain()一同使用。

  • writelines()

    • 向数据流中写入bytes列表（或任何的可迭代对象）。
    • 此方法不受流量控制的影响。应与drain()一同使用。

  • coroutine drain()

    • 等待恢复数据写入的时机。例如：

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      writer.write(data)
      await writer.drain()

    • 这是一个与底层IO输入缓冲区交互的流量控制方法。当缓冲区达到上限时，drain()阻塞，待到缓冲区回落到下限时，写操作可以被恢复。当不需要等待时，drain()会立即返回。

  • close()

    • 关闭数据流。

  • is_closing()

    • 如果数据流已经关闭或正在关闭，则返回True。

  • coroutine wait_closed()

    • 保持等待，直到数据流关闭。
    • 保持等待，直到底层连接被关闭，应该在close()后调用此方法。
    • Python3.7新增。

示例

利用Stream实现TCP回显客户端

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import asyncio

async def tcp_echo_client(message):
    reader, writer = await asyncio.open_connection(
        '127.0.0.1', 8888)

    print(f'Send: {message!r}')
    writer.write(message.encode())

    data = await reader.read(100)
    print(f'Received: {data.decode()!r}')

    print('Close the connection')
    writer.close()

asyncio.run(tcp_echo_client('Hello World!'))

利用Stream实现TCP回显服务端

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import asyncio

async def handle_echo(reader, writer):
    data = await reader.read(100)
    message = data.decode()
    addr = writer.get_extra_info('peername')

    print(f"Received {message!r} from {addr!r}")

    print(f"Send: {message!r}")
    writer.write(data)
    await writer.drain()

    print("Close the connection")
    writer.close()

async def main():
    server = await asyncio.start_server(
        handle_echo, '127.0.0.1', 8888)

    addr = server.sockets[0].getsockname()
    print(f'Serving on {addr}')

    async with server:
        await server.serve_forever()

asyncio.run(main())

获取HTTP头

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import asyncio
import urllib.parse
import sys

async def print_http_headers(url):
    url = urllib.parse.urlsplit(url)
    if url.scheme == 'https':
        reader, writer = await asyncio.open_connection(
            url.hostname, 443, ssl=True)
    else:
        reader, writer = await asyncio.open_connection(
            url.hostname, 80)

    query = (
        f"HEAD {url.path or '/'} HTTP/1.0\r\n"
        f"Host: {url.hostname}\r\n"
        f"\r\n"
    )

    writer.write(query.encode('latin-1'))
    while True:
        line = await reader.readline()
        if not line:
            break

        line = line.decode('latin1').rstrip()
        if line:
            print(f'HTTP header> {line}')

    # Ignore the body, close the socket
    writer.close()

url = sys.argv[1]
asyncio.run(print_http_headers(url))

用法：

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python example.py http://example.com/path/page.html

或：

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python example.py https://example.com/path/page.html

利用Stream注册等待数据的开放socket

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import asyncio
import socket

async def wait_for_data():
    # Get a reference to the current event loop because
    # we want to access low-level APIs.
    loop = asyncio.get_running_loop()

    # Create a pair of connected sockets.
    rsock, wsock = socket.socketpair()

    # Register the open socket to wait for data.
    reader, writer = await asyncio.open_connection(sock=rsock)

    # Simulate the reception of data from the network
    loop.call_soon(wsock.send, 'abc'.encode())

    # Wait for data
    data = await reader.read(100)

    # Got data, we are done: close the socket
    print("Received:", data.decode())
    writer.close()

    # Close the second socket
    wsock.close()

asyncio.run(wait_for_data())