Python 异步 IO(asyncio)、多进程、多线程性能对比

IO 密集型应用IO 密集型应用CPU等待IO时间远大于CPU 自身运行时间,太浪费;常见的 IO 密集型业务包括:浏览器交互、磁盘请求、网络爬虫、数据库请求等

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Python 世界对于 IO 密集型场景的并发提升有 3 种方法:多进程、多线程、异步 IO(asyncio);理论上讲asyncio是性能最高的,原因如下:

1.进程、线程会有CPU上下文切换

2.进程、线程需要内核态和用户态的交互,性能开销大;而协程对内核透明的,只在用户态运行

3.进程、线程并不可以无限创建,最佳实践一般是 CPU*2;而协程并发能力强,并发上限理论上取决于操作系统IO多路复用(Linux下是 epoll)可注册的文件描述符的极限

那asyncio的实际表现是否如理论上那么强,到底强多少呢?我构建了如下测试场景:

访问500台 DB,并sleep 100ms模拟业务查询 
方法 1;顺序串行一台台执行
方法 2:多进程
方法 3:多线程
方法 4:asyncio
方法 5:asyncio+uvloop

最后的 asyncio+uvloop 和官方asyncio 最大不同是用 Cython+libuv 重新实现了asyncio 的事件循环(event loop)部分,官方测试性能是 node.js的 2 倍,持平 golang。

以下测试代码需要 Pyhton3.7+: 顺序串行一台台执行

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import records

user=xx
pass=xx
port=xx
hosts= [....] # 500台 db列表

def query(host):
    conn = records.Database(
    f'mysql+pymysql://{user}:{pass}@{host}:{port}/mysql?charset=utf8mb4')
    rows = conn.query('select sleep(0.1);')
    print(rows[0])

def main():
    for h in hosts:
        query(h)

# main entrance
if __name__ == '__main__':
    main()

多进程

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
from concurrent import futures
import records

user=xx
pass=xx
port=xx
hosts= [....] # 500台 db列表

def query(host):
    conn = records.Database(
    f'mysql+pymysql://{user}:{pass}@{host}:{port}/mysql?charset=utf8mb4')
    rows = conn.query('select sleep(0.1);')
    print(rows[0])

def main():
    with futures.ProcessPoolExecutor() as executor:
        for future in executor.map(query,hosts):
            pass

# main entrance
if __name__ == '__main__':
    main()

多线程

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
from concurrent import futures
import records

user=xx
pass=xx
port=xx
hosts= [....] # 500台 db列表

def query(host):
    conn = records.Database(
    f'mysql+pymysql://{user}:{pass}@{host}:{port}/mysql?charset=utf8mb4')
    rows = conn.query('select sleep(0.1);')
    print(rows[0])

def main():
    with futures.ThreadPoolExecutor() as executor:
        for future in executor.map(query,hosts):
            pass

# main entrance
if __name__ == '__main__':
    main()

asyncio

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import asyncio
from databases import Database 

user=xx
pass=xx
port=xx
hosts= [....] # 500台 db列表

async def query(host):
    DATABASE_URL = f'mysql+pymysql://{user}:{pass}@{host}:{port}/mysql?charset=utf8mb4'
    async with Database(DATABASE_URL) as database:
        query = 'select sleep(0.1);'
        rows = await database.fetch_all(query=query)
        print(rows[0])

async def main():
    tasks = [asyncio.create_task(query(host)) for host in hosts]
    await asyncio.gather(*tasks)

# main entrance
if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())

asyncio+uvloop

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import asyncio
import uvloop
from databases import Database 

user=xx
pass=xx
port=xx
hosts= [....] # 500台 db列表

async def query(host):
    DATABASE_URL = f'mysql+pymysql://{user}:{pass}@{host}:{port}/mysql?charset=utf8mb4'
    async with Database(DATABASE_URL) as database:
        query = 'select sleep(0.1);'
        rows = await database.fetch_all(query=query)
        print(rows[0])

async def main():
    tasks = [asyncio.create_task(query(host)) for host in hosts]
    await asyncio.gather(*tasks)

# main entrance
if __name__ == '__main__':
    uvloop.install()
    asyncio.run(main())

运行时间对比

方式 运行时间
串行 1m7.745s
多进程 2.932s
多线程 4.813s
asyncio 1.068s
asyncio+uvloop 0.750s

可以看出: 无论多进程、多进程还是asyncio都能大幅提升IO 密集型场景下的并发,但asyncio+uvloop性能最高,运行时间只有原始串行运行时间的 1/90,相差快 2 个数量级了!

内存占用对比 串行

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多进程

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多线程

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asyncio

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asyncio+uvloop

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可以看出 asyncio+uvloop 内存占用表现仍然最优,只有 60M;而多进程占用多达 1.4G,果然创建进程是个十分重的操作~

总结asyncio 无论运行时间还是内存占用都远优于多进程、多线程,配合 uvloop 性能还能进一步提升,在 IO 密集型业务中可以优先使用 asyncio。

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