Python异步编程与异常：在async_await中优雅管理异常

# 1. Python异步编程基础

Python作为一种高级编程语言，近年来在异步编程领域也实现了巨大突破，通过其异步特性为开发者提供了一种高效处理并发任务的方式。本章将作为教程的起点，帮助读者掌握Python异步编程的基础知识，为深入学习后续章节打下坚实基础。

## 1.1 Python异步编程简介

Python的异步编程核心概念包括了`asyncio`库，`async def`定义的异步函数以及`await`表达式。这些概念通过非阻塞IO操作和事件循环，使得单线程程序能够处理大量并发IO密集型任务。本节将概述异步编程出现的原因、优势以及适用场景。

import asyncio

async def main():
    print('Hello')
    await asyncio.sleep(1)
    print('World')

# 在事件循环中运行asyncio程序
asyncio.run(main())

上述代码展示了一个非常简单的异步函数`main`，其中`asyncio.run`是执行异步程序的入口点。当执行到`await asyncio.sleep(1)`时，程序会暂停，并将控制权交还给事件循环，事件循环继续处理其他任务直到休眠结束。

## 1.2 异步编程与同步编程的对比

在深入了解Python异步编程的细节之前，了解它与传统同步编程的区别是必要的。同步编程中的任务按顺序依次执行，而异步编程允许程序在等待长时间运行的任务（如IO操作）时切换到其他任务。这种方式显著提高了程序的执行效率，尤其是在网络请求和数据库访问等场景下。我们将在后续章节探讨异步编程更高级的使用技巧和最佳实践。

# 2. 深入理解async和await关键字

## 2.1 async和await的工作原理

### 2.1.1 事件循环和协程的基本概念

在异步编程中，事件循环（event loop）是核心组件之一，它的任务是不断检查协程（coroutine）是否可以继续执行，以及安排任务的执行顺序。协程是一种轻量级的线程，它由程序自身调度，不依赖操作系统内核，因此协程的创建和切换开销远小于线程。协程使用`async def`定义，并可以使用`await`语句来挂起自身的执行，等待某个异步操作完成。

事件循环依赖于协程，而协程之间通过`await`实现协作。一个协程遇到`await`时，当前的执行被挂起，并将控制权返回给事件循环，事件循环继续执行下一个任务。一旦被`await`的任务完成，事件循环再次安排挂起的协程继续执行。

理解这些基本概念对于深入掌握async和await关键字至关重要，因为这些关键字正是用来定义和管理协程的。

### 2.1.2 async和await关键字的引入背景

在Python 3.5之前，异步编程主要通过生成器和回调机制实现。这种方式存在一些问题，例如，编写和理解复杂的回调链较为困难，难以维护和扩展。此外，它也难以充分利用Python的并发特性。

为了解决这些问题，async和await关键字被引入Python语言。async用于声明一个协程函数，而await则用于挂起协程的执行直到等待的异步操作完成。这使得异步编程的语法和结构更加清晰、直观，有助于开发者编写更加高效和易于理解的异步代码。

引入async和await后，开发者可以使用更加直白的同步代码风格来编写异步程序，这大大提高了异步编程的易用性和代码的可读性。

## 2.2 创建和使用异步函数

### 2.2.1 async函数的定义和调用

异步函数使用`async def`关键字定义，它与普通的Python函数略有不同，内部使用`await`表达式来挂起异步操作。以下是一个简单的async函数示例：

async def my_coroutine():
    await asyncio.sleep(1)

上述`my_coroutine`是一个异步函数，它通过`await asyncio.sleep(1)`表达式来模拟异步操作，该操作会暂停当前协程的执行1秒。

调用异步函数需要一个事件循环，通常使用`asyncio.run(my_coroutine())`来启动。注意，`asyncio.run()`仅在Python 3.7及以上版本可用，如果在旧版本Python中，可以通过获取事件循环并手动运行它来执行异步函数：

import asyncio

async def my_coroutine():
    await asyncio.sleep(1)

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

### 2.2.2 await表达式的使用场景和规则

`await`表达式用于等待一个awaitable对象完成。在Python中，awaitable对象通常有三种类型：协程（coroutine）、任务（Task）、和未来对象（Future）。await表达式可以暂停当前协程的执行直到被等待的操作完成，这个操作可以是异步IO操作或其它异步函数调用。

使用`await`需要遵循一些规则：
- `await`只能在`async`定义的函数内部使用。
- `await`后面通常跟一个awaitable对象，如协程函数、任务或未来对象。
- 使用`await`暂停当前协程时，事件循环将继续执行其他任务直到此任务完成。
- 如果`await`的异步操作失败抛出异常，这个异常将被作为`asyncio.InvalidStateError`重新抛出，除非被当前协程中的异常处理代码捕获。

## 2.3 异步编程的高级特性

### 2.3.1 异步迭代器和异步生成器

Python 3.6引入了异步迭代器（async iterator）和异步生成器（async generator）的概念，扩展了异步编程的使用场景。异步迭代器通过实现`__aiter__()`和`__anext__()`方法来支持异步迭代。而异步生成器则通过`async def`结合`yield`关键字定义。

异步迭代器允许我们异步地遍历数据流或数据集，而异步生成器则可以异步地产生一系列值，适用于需要异步处理数据的场景。

这里是一个异步生成器的示例：

async def async_generator():
    for i in range(3):
        yield i
        await asyncio.sleep(1) # 模拟异步操作

这个函数每产生一个值后，会挂起一秒钟，这样可以在等待的过程中执行其它异步任务。

### 2.3.2 异步上下文管理器

异步上下文管理器允许我们在异步代码块中使用`async with`语句来管理资源。它通过定义`__aenter__()`和`__aexit__()`方法来实现。这使得异步函数可以更加简洁和安全地处理如文件和网络操作等异步资源。

以下是异步上下文管理器的示例：

import aiohttp

class AsyncSession:
    def __init__(self, url):
        self._session = aiohttp.ClientSession(url)
    async def __aenter__(self):
        return self._session
    async def __aexit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        await self._session.close()

async with AsyncSession("***") as session:
    response = await session.get("/path/to/resource")
    # 使用response做异步处理

在这个例子中，`AsyncSession`类定义了异步上下文管理协议，并且可以使用`async with`语句来创建和管理一个`aiohttp.ClientSession`。这使得管理HTTP客户端会话变得非常方便，同时也支持了异步操作。

通过利用这些异步编程的高级特性，开发者可以更高效地处理复杂的异步逻辑，并构建出可读性和性能兼备的异步代码。

# 3. 异常处理在异步编程中的角色

### 3.1 异步编程中的错误传播

#### 异步函数中的异常抛出和捕获

异步函数中处理异常的方式与同步函数稍有不同。异步函数可以通过`throw()`方法来抛出一个异常，或使用`try/except`语句来捕获异常。但是，处理的复杂度在于与异步流程和任务状态相关联的特性。异常可以被异步函数中的`await`表达式捕获，也可以在函数外部通过`Task`对象的`result()`方法捕获。

import asyncio

async def async_function():
    raise ValueError("This is an async exception.")

async def main():
    task = asyncio.create_task(async_function())
    try:
        await task
    except ValueError as e:
        print(f"Caught an exception: {e}")
    except Exception as e:
        print(f"Caught a different exception: {e}")

asyncio.run(main())

在这个例子中，`async_function`创建了一个异步函数，在其中抛出了一个`ValueError`异常。在`main`函数中，我们创建了一个任务来运行该异步函数，并在`try`块中等待任务完成，捕获并处理了两种可能的异常。

#### 任务取消和异常处理

在异步编程中，用户可能希望取消正在执行的任务。如果任务在执行过程中被取消，它会引发`CancelledError`异常。这种情况下，任务的异常处理器可以捕获到这个异常并进行相应的处理。任务的取消是异步异常处理的重要组成部分，因为取消往往意味着用户不再需要任务的结果。

async def cancel_me():
    print('Task will be cancelled')
    try:
        await asyncio.sleep(10)