一、什么是AIO

　　Asynchronous Input/Output的简写是AIO，也就是异步IO。不过在谈什么是AIO之前，我们要先介绍一下BIO。那么什么是BIO呢?简单说来，BIO是Blocking Input/Output，也就是阻塞IO，他实现的通常是在线程池中找出一个线程处理IO，在IO过程中，其他线程都需要等待IO完成后才可以从中选取一个线程占用IO。这样导致的最大的问题是，当线程数量较多，且需要大量的IO操作时，就会造成一个大量的阻塞，因为事实上每次只有一个线程在处理IO。

　　那么怎样解决这个时候的问题呢?这时候就提出了AIO的概念。通常在IO处理过程中也会伴有一些其他的处理操作，假设把所有的操作都浪费在了等待IO释放上，线程池中的线程利用率也太低了，所以我们需要一种方式，在申请IO处理之后，就去继续做其他的事情，等IO操作完成了，然后通知我们已经OK，我们可以继续处理了。这也就是我们所说的AIO的原型。

　　AIO的情况也说明了它适用的场景：

    *长连接场景

    *重度的IO操作

　　若找软件来做案例，我们可以找一个可能大家熟知的：NGINX。正如我们所知道的，NGINX采用了异步、事件驱动的方法来处理连接。这种处理方式无需(像使用传统架构的服务器一样)为每个请求创建额外的专用进程或线程，而是在一个工作进程中处理多个连接和请求。所以，NGINX工作在非阻塞的socket模式下，并使用了epoll 与 kqueue这样有效的方法。

　　这部分的内容，在NGINX引入线程池 性能提升9倍中进行了详细的介绍，包含了NGINX的异步应用经验，同时介绍了NGINX中引入了阻塞的线程池用于解决某些特定场景问题下的效率。

　　二、如何实现Python的异步IO

　　这篇文章以最新的Python 3.5版本为基础来介绍实现一个异步的Python Redis Client。在此之前，我们先来看一下，如何实现Python的aio。

　　Python的aio官方封装了一个比较合适的基础库asyncio。

　　让我们从一个例子开始简单认识一下如何实现一个异步的aio client。以官方文档中的例子为例，参考代码如下所示：

　　import asyncio

　　async def tcp_echo_client(message, loop):

　　reader, writer = await asyncio.open_connection('127.0.0.1', 8888,

　　loop=loop)

　　print('Send: %r' % message)

　　writer.write(message.encode())

　　data = await reader.read(100)

　　print('Received: %r' % data.decode())

　　print('Close the socket')

　　writer.close()

　　message = 'Hello World!'

　　loop = asyncio.get_event_loop()

　　loop.run_until_complete(tcp_echo_client(message, loop))

　　loop.close()

　　上面的例子用到的Python 3.5中引入的async/await关键字，还有asyncio库。这里面asyncio.open_connection会返回一个coroutine，这个可以使用await进行一个aio的调用，也就是在收到返回信号之前，程序可以继续去处理其他的任务。这里面真正核心的就是EventLoop，它负责监视发送这些信号，并且返回数据，它可通过asyncio.get_event_loop获取到。然后他会真正返回的数据是一个读取StreamReader与写入StreamWriter的对象。

　　接下来就可以通过这个reader和writer进行数据的读取与写入。writer是可以直接写入的，若为reader的话，就需要aio的方式等待受到数据后返回。这样看起来更接近于普通的socket编程。不过关闭连接时，仅仅需要关闭writer就足够了。

　　三、从socket通讯到redis通讯

　　所有的网络请求本质上来说都可以看成是SocketIO的请求，所以，我们可以把Redis的请求当做是一个socket的通讯来进行，这样就很方便了。

　　但通讯的数据格式怎么办?没关系，这里我们使用hiredis-py来解决协议解析的问题。从库设计的角度来说，我们需要封装一个RedisConnection的类出来解决Redis的通讯协议。它可能传入的参数包含：

　　1.一个StreamReader、

　　2.一个StreamWriter

　　3.一个EventLoop

　　4.编码encoding

　　5.其他的我们就用一个*来表示

   参考代码如下所示：

　　class RedisConnection(object):

　　'''Redis Connection'''

　　def __init__(self, reader, writer, *, encoding=None, loop=None):

　　if loop is None:

　　loop = asyncio.get_event_loop()

　　self._reader = reader

　　self._writer = writer

　　self._encoding = encoding

　　self._loop = loop

　　self._db = 0

　　def __repr__(self):

　　return ''.format(self._db)

　　记得加上__repr__用来描述这个对象，这是一个好习惯。接下来就需要完善这个类了，例如，我们需要添加一个关闭连接的方法，这需要至少一个参数用于标记连接是否关闭，一个用于执行关闭操作，比如我们需要这样子的，如下所示：

　　def close(self):

　　"""Close connection."""

　　self._do_close(None)

　　def _do_close(self, exc):

　　if self._closed:

　　return

　　self._closed = True

　　self._closing = False

　　# 关闭写入

　　self._writer.transport.close()

　　# 取消读取任务

　　self._reader_task.cancel()

　　self._reader_task = None

　　self._writer = None

　　self._reader = None

　　@property

　　def closed(self):

　　"""True if connection is closed."""

　　closed = self._closing or self._closed

　　if not closed and self._reader and self._reader.at_eof():

　　self._closing = closed = True

　　self._loop.call_soon(self._do_close, None)

　　return closed

　　连接这类的方法已经处理完了，那么接下来就应该是执行Redis命令了，我们可以叫它execute。那他需要几个东西，一个是执行的指令command，一个是指令参数*args，还有一些其他的，比如编码encoding。为了节省时间，只是考虑一些Set与Get的基本操作。那么Redis和mysql的数据结构是什么样子的呢?我们这里说redis，我们还需要先把它编译成Redis-server可以识别的形式，那么需要一个encode_command方法。如下所示：

　　_converters = {

　　bytes: lambda val: val,

　　bytearray: lambda val: val,

　　str: lambda val: val.encode('utf-8'),

　　int: lambda val: str(val).encode('utf-8'),

　　float: lambda val: str(val).encode('utf-8'),

　　}

　　def encode_command(*args):

　　"""Encodes arguments into redis bulk-strings array.

　　Raises TypeError if any of args not of bytes, str, int or float type.

　　"""

　　buf = bytearray()

　　def add(data):

　　return buf.extend(data + b'\r\n')

　　add(b'*' + _bytes_len(args))

　　for arg in args:

　　if type(arg) in _converters:

　　barg = _converters[type(arg)](arg)

　　add(b'$' + _bytes_len(barg))

　　add(barg)

　　else:

　　raise TypeError("Argument {!r} expected to be of bytes,"

　　" str, int or float type".format(arg))

　　return buf

　　这样可以转化为可以识别的形式了，接下来还有一个问题，那么怎么让程序可以等待信号的生效呢?在这里我们介绍一下asyncio.Future。这个asyncio.Future类是用于封装回调函数的类，包含了一些更加方便使用的方法。通过这个类，可以实现aio的通知机制，也就是回调。这个类实例可以通过await返回我们需要的结果。不过这样就还需要在项目中添加一些更多的变量，比如所有等待返回的self._waiters。如下所示：

　　def execute(self, command, *args, encoding=None):

　　"""Executes redis command and returns Future waiting for the answer.

　　Raises:

　　* TypeError if any of args can not be encoded as bytes.

　　* ReplyError on redis '-ERR' resonses.

　　* ProtocolError when response can not be decoded meaning connection

　　is broken.

　　"""

　　assert self._reader and not self._reader.at_eof(), (

　　"Connection closed or corrupted")

　　if command is None:

　　raise TypeError("command must not be None")

　　if None in set(args):

　　raise TypeError("args must not contain None")

　　# 这样小写也没有问题了

　　command = command.upper().strip()

　　if encoding is None:

　　encoding = self._encoding

　　fut = asyncio.Future(loop=self._loop)

　　self._writer.write(encode_command(command, *args))

　　self._waiters.append((fut, encoding, cb))

　　return fut

　　现在所有的命令都已经发送到了redis-server，接下来就需要读取对应的结果了。如下所示：

　　async def _read_data(self):

　　"""Response reader task."""

　　while not self._reader.at_eof():

　　try:

　　data = await self._reader.read(65536)

　　except asyncio.CancelledError:

　　break

　　except Exception as exc:

　　# XXX: for QUIT command connection error can be received

　　# before response

　　logger.error("Exception on data read %r", exc, exc_info=True)

　　break

　　self._parser.feed(data)

　　while True:

　　try:

　　obj = self._parser.gets()

　　except ProtocolError as exc:

　　# ProtocolError is fatal

　　# so connection must be closed

　　self._closing = True

　　self._loop.call_soon(self._do_close, exc)

　　if self._in_transaction:

　　self._transaction_error = exc

　　return

　　else:

　　if obj is False:

　　break

　　else:

　　self._process_data(obj)

　　self._closing = True

　　self._loop.call_soon(self._do_close, None)

　　def _process_data(self, obj):

　　"""Processes command results."""

　　waiter, encoding, cb = self._waiters.popleft()

　　if waiter.done():

　　logger.debug("Waiter future is already done %r", waiter)

　　assert waiter.cancelled(), (

　　"waiting future is in wrong state", waiter, obj)

　　return

　　if isinstance(obj, RedisError):

　　waiter.set_exception(obj)

　　if self._in_transaction:

　　self._transaction_error = obj

　　else:

　　if encoding is not None:

　　try:

　　obj = decode(obj, encoding)

　　except Exception as exc:

　　waiter.set_exception(exc)

　　return

　　waiter.set_result(obj)

　　if cb is not None:

　　cb(obj)

　　有了这些之后，我们就可以简单创建一个连接了，如下所示：

　　async def create_connection(address, *, db=None, password=None,

　　encoding=None, loop=None):

　　"""Creates redis connection.

　　Opens connection to Redis server specified by address argument.

　　Address argument is similar to socket address argument, ie:

　　* when address is a tuple it represents (host, port) pair;

　　* when address is a str it represents unix domain socket path.

　　(no other address formats supported)

　　Encoding argument can be used to decode byte-replies to strings.

　　By default no decoding is done.

　　Return value is RedisConnection instance.

　　This function is a coroutine.

　　"""

　　assert isinstance(address, (tuple, list, str)), "tuple or str expected"

　　if isinstance(address, (list, tuple)):

　　host, port = address

　　reader, writer = await asyncio.open_connection(

　　host, port, loop=loop)

　　else:

　　reader, writer = await asyncio.open_unix_connection(

　　address, loop=loop)

　　conn = RedisConnection(reader, writer, encoding=encoding, loop=loop)

　　try:

　　if password is not None:

　　yield from conn.auth(password)

　　if db is not None:

　　yield from conn.select(db)

　　except Exception:

　　conn.close()

　　return conn

　　这样，连接部分的代码基本上已经处理完成了，接下来要做的就是实现基于这个连接的命令执行了，下面的内容会下一个文章中继续介绍，我们也会更新关于mysql的相关知识，敬请期待。