Python协程中使用上下文
在Python 3.7中,asyncio 协程加入了对上下文的支持。使用上下文就可以在一些场景下隐式地传递变量,比如数据库连接session等,而不需要在所有方法调用显示地传递这些变量。使用得当的话,可以提高接口的可读性和扩展性。
基本使用方式
协和的上下文是通过 contextvars 中的 ContextVar 对象来管理的。最基本的使用方式是在某一调用层次中设置上下文,然后在后续调用中使用。如下例所示:
import asyncio
import contextvars
from random import randint
from unittest import TestCase
request_id_context = contextvars.ContextVar('request-id')
async def inner(x):
request_id = request_id_context.get()
if request_id != x:
raise AssertionError('request_id %d from context does NOT equal with parameter x %d' % (request_id, x))
print('start handling inner request-%d, with x: %d' % (request_id, x))
await asyncio.sleep(randint(0, 3))
print('finish handling inner request-%d, with x: %d' % (request_id, x))
async def outer(i):
print('start handling outer request-%d' % i)
request_id_context.set(i)
await inner(i)
print('finish handling outer request-%d with request_id in context %d' % (i, request_id_context.get()))
async def dispatcher():
await asyncio.gather(*[
outer(i) for i in range(0, 10)
])
class ContextTest(TestCase):
def test(self):
asyncio.run(dispatcher())
上例中,在最后定义了一个单元测试用例对象 ContextTest
。它的方法 test
是程序的入口,使用 asyncio.run
方法来在协程中执行被测试的异步方法 dispatcher
。dispatcher
则并发启动10个异步方法 outer
。 outer
方法首先将在模块层定义的上下文变量 request_id_context
设置为当前调用指定的值,这个值对于每个 outer
的调用都是不同的。 然后在后续被调用的 inner
方法,以及 outer
方法内部访问了这个上下文变更。在 inner
方法内容,则比较了显示传入的 i
和从上下文变量中取出的 request_id
。
测试用例的执行结果如下:
start handling outer request-0
start handling inner request-0, with x: 0
start handling outer request-1
start handling inner request-1, with x: 1
start handling outer request-2
start handling inner request-2, with x: 2
start handling outer request-3
start handling inner request-3, with x: 3
start handling outer request-4
start handling inner request-4, with x: 4
start handling outer request-5
start handling inner request-5, with x: 5
start handling outer request-6
start handling inner request-6, with x: 6
start handling outer request-7
start handling inner request-7, with x: 7
start handling outer request-8
start handling inner request-8, with x: 8
start handling outer request-9
start handling inner request-9, with x: 9
finish handling inner request-3, with x: 3
finish handling outer request-3 with request_id in context 3
finish handling inner request-7, with x: 7
finish handling outer request-7 with request_id in context 7
finish handling inner request-1, with x: 1
finish handling outer request-1 with request_id in context 1
finish handling inner request-4, with x: 4
finish handling outer request-4 with request_id in context 4
finish handling inner request-5, with x: 5
finish handling outer request-5 with request_id in context 5
finish handling inner request-9, with x: 9
finish handling outer request-9 with request_id in context 9
finish handling inner request-0, with x: 0
finish handling outer request-0 with request_id in context 0
finish handling inner request-2, with x: 2
finish handling outer request-2 with request_id in context 2
finish handling inner request-6, with x: 6
finish handling outer request-6 with request_id in context 6
finish handling inner request-8, with x: 8
finish handling outer request-8 with request_id in context 8
可以看到,虽然每次 outer
方法对模块层同定义的同一个上下文变量 request_id_context
设置了不同的值,但后续并发访问相互之间并不会混淆或冲突。
不同调用层次间对上下文的修改
前一节展示了在设置了上下文变量后,在后续使用中读取这个变量的情况。这一节,我们看一下不用调用层次间对同一个上下文变量进行修改的情况。
在上一节代码上做了一些调整后如下:
import asyncio
import contextvars
from random import randint
from unittest import TestCase
request_id_context = contextvars.ContextVar('request-id')
obj_context = contextvars.ContextVar('obj')
class A(object):
def __init__(self, x):
self.x = x
def __repr__(self):
return '<A|x: %d>' % self.x
async def inner(x):
request_id = request_id_context.get()
if request_id != x:
raise AssertionError('request_id %d from context does NOT equal with parameter x %d' % (request_id, x))
print('start handling inner request-%d, with x: %d' % (request_id, x))
request_id_context.set(request_id * 10)
await asyncio.sleep(randint(0, 3))
obj = A(x)
obj_context.set(obj)
print('finish handling inner request-%d, with x: %d' % (request_id, x))
async def outer(i):
print('start handling outer request-%d with request_id in context %d' % (i, request_id_context.get()))
request_id_context.set(i)
await inner(i)
print('obj: %s in outer request-%d' % (obj_context.get(), i))
print('finish handling outer request-%d with request_id in context %d' % (i, request_id_context.get()))
async def dispatcher():
request_id_context.set(-1)
await asyncio.gather(*[
outer(i) for i in range(0, 10)
])
print('finish all coroutines with request_id in context: %d' % (request_id_context.get()))
class ContextTest(TestCase):
def test(self):
asyncio.run(dispatcher())
具体调整
- 在
dispatcher
中,开始启动协程前,将request_id_context
设置为-1
。 然后在所有的协程调用完毕后,再查看request_context_id
的值。 - 在
outer
中,在设置request_id_context
之前,先查看它的值。 - 在
inner
中,在检查和查看request_id_context
之后,将它修改为其原始值的10倍。 - 定义了一个对象
A
,以及一个用来传递A
对象实例的上下文变量obj_context
。 - 在
inner
中,创建A
的实例并保存到obj_context
中。 - 在
outer
中,调用完inner
方法后,查看obj_context
上下文变量。
代码的执行结果如下:
start handling outer request-0 with request_id in context -1
start handling inner request-0, with x: 0
start handling outer request-1 with request_id in context -1
start handling inner request-1, with x: 1
start handling outer request-2 with request_id in context -1
start handling inner request-2, with x: 2
start handling outer request-3 with request_id in context -1
start handling inner request-3, with x: 3
start handling outer request-4 with request_id in context -1
start handling inner request-4, with x: 4
start handling outer request-5 with request_id in context -1
start handling inner request-5, with x: 5
start handling outer request-6 with request_id in context -1
start handling inner request-6, with x: 6
start handling outer request-7 with request_id in context -1
start handling inner request-7, with x: 7
start handling outer request-8 with request_id in context -1
start handling inner request-8, with x: 8
start handling outer request-9 with request_id in context -1
start handling inner request-9, with x: 9
finish handling inner request-6, with x: 6
obj: <A|x: 6> in outer request-6
finish handling outer request-6 with request_id in context 60
finish handling inner request-0, with x: 0
obj: <A|x: 0> in outer request-0
finish handling outer request-0 with request_id in context 0
finish handling inner request-2, with x: 2
obj: <A|x: 2> in outer request-2
finish handling outer request-2 with request_id in context 20
finish handling inner request-3, with x: 3
obj: <A|x: 3> in outer request-3
finish handling outer request-3 with request_id in context 30
finish handling inner request-5, with x: 5
obj: <A|x: 5> in outer request-5
finish handling outer request-5 with request_id in context 50
finish handling inner request-7, with x: 7
obj: <A|x: 7> in outer request-7
finish handling outer request-7 with request_id in context 70
finish handling inner request-8, with x: 8
obj: <A|x: 8> in outer request-8
finish handling outer request-8 with request_id in context 80
finish handling inner request-9, with x: 9
obj: <A|x: 9> in outer request-9
finish handling outer request-9 with request_id in context 90
finish handling inner request-1, with x: 1
obj: <A|x: 1> in outer request-1
finish handling outer request-1 with request_id in context 10
finish handling inner request-4, with x: 4
obj: <A|x: 4> in outer request-4
finish handling outer request-4 with request_id in context 40
finish all coroutines with request_id in context: -1
观察执行结果,可以看到对上下文变量的修改,有两种情况:
- 对于已经设置过值的上下文变量,后续对其做的修改是单向传播的。尽管每个
outer
方法都request_id_context
设置成了不同的值,但最后在dispatcher
调用完所有的outer
后,它取到的request_id_context
仍然为-1
。 同样,inner
方法虽然修改了request_id_context
,但这个修改对调用它的outer
是不可见的。另外一个方向,outer
可以读取到调用它的dispatcher
修改的值,inner
也可以读取到outer
的修改。 - 如果是新设置的上下文变量,它的值可以传递到其所在方法的调用者。比如在
inner
中设置的obj_context
,在outer
中可以读取。
内存泄漏和上下文清理
根据Python文档, ContextVar
对象会持有变量值的强引用,所以如果没有适当清理,会导致内存漏泄。我们使用以下代码演示这种问题。
import asyncio
import contextvars
from unittest import TestCase
import weakref
obj_context = contextvars.ContextVar('obj')
obj_ref_dict = {}
class A(object):
def __init__(self, x):
self.x = x
def __repr__(self):
return '<A|x: %d>' % self.x
async def inner(x):
obj = A(x)
obj_context.set(obj)
obj_ref_dict[x] = weakref.ref(obj)
async def outer(i):
await inner(i)
print('obj: %s in outer request-%d from obj_ref_dict' % (obj_ref_dict[i](), i))
async def dispatcher():
await asyncio.gather(*[
outer(i) for i in range(0, 10)
])
for i in range(0, 10):
print('obj-%d: %s in obj_ref_dict' % (i, obj_ref_dict[i]()))
class ContextTest(TestCase):
def test(self):
asyncio.run(dispatcher())
和上一节中的代码一样,inner
方法在调用栈的最内部设置了上下文变量obj_context
。不同的是,在设置上下文的同时,也将保存在上下文中的对象A
的实例保存到一个弱引用中,以便后续通过弱引用来检查对象实例是否被回收。
代码的执行结果如下:
obj: <A|x: 0> in outer request-0 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 1> in outer request-1 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 2> in outer request-2 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 3> in outer request-3 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 4> in outer request-4 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 5> in outer request-5 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 6> in outer request-6 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 7> in outer request-7 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 8> in outer request-8 from obj_ref_dict
obj: <A|x: 9> in outer request-9 from obj_ref_dict
obj-0: <A|x: 0> in obj_ref_dict
obj-1: <A|x: 1> in obj_ref_dict
obj-2: <A|x: 2> in obj_ref_dict
obj-3: <A|x: 3> in obj_ref_dict
obj-4: <A|x: 4> in obj_ref_dict
obj-5: <A|x: 5> in obj_ref_dict
obj-6: <A|x: 6> in obj_ref_dict
obj-7: <A|x: 7> in obj_ref_dict
obj-8: <A|x: 8> in obj_ref_dict
obj-9: <A|x: 9> in obj_ref_dict
可以看到,无论是在outer
中,还是在dispatcher
中,所有inner
方法保存的上下文变量都被没有被回收。所以我们必需在使用完上下文变量后,显示清理上下文,否则会导致内存泄漏。
这里,我们在inner
方法的最后,将obj_context
设置为None
,就可以保证不会因为上下文而导致内存不会被回收:
async def inner(x):
obj = A(x)
obj_context.set(obj)
obj_ref_dict[x] = weakref.ref(obj)
obj_context.set(None)
修改后的代码执行结果如下:
obj: None in outer request-0 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-1 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-2 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-3 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-4 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-5 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-6 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-7 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-8 from obj_ref_dict
obj: None in outer request-9 from obj_ref_dict
obj-0: None in obj_ref_dict
obj-1: None in obj_ref_dict
obj-2: None in obj_ref_dict
obj-3: None in obj_ref_dict
obj-4: None in obj_ref_dict
obj-5: None in obj_ref_dict
obj-6: None in obj_ref_dict
obj-7: None in obj_ref_dict
obj-8: None in obj_ref_dict
obj-9: None in obj_ref_dict
可以看到,当outer
和dispatcher
尝试通过弱引用来访问曾经保存在上下文中的对象实例时,这些对象都已经被回收了。
总结
在协程中使用 contextvars 模块中的_ContextVar_对象可以让我们方便在协程间保存上下文数据。在使用时要注意以下几点:
- contextvars 对协程的支持是从Python 3.7才开始的,使用时要注意Python版本。
- ContextVar 应当在模块级别定义和创建,一定不能在闭包中定义。
- 保存在上下文中的变量一定要在使用完成后显示清理,否则会导致内存泄漏。
参考资料
- https://docs.python.org/3/library/contextvars.html#asyncio-support
- https://docs.python.org/3/library/contextvars.html#contextvars.ContextVar
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