Tornado学习

为什么用Tornado?

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异步编程原理

服务器同时要对许多客户端提供服务，他的性能至关重要。而服务器端的处理流程，只要遇到了I/O操作，往往需要长时间的等待。

 

屏幕快照 2018-10-31 上午11.43.02.png

当然，我们可以用多线程/多进程达到类似的目的，但线程和进程都是系统控制的，消耗资源较多，而且何时运行，何时挂起不由程序本身做主，调度开销较大。我们希望将多任务流程的调度工作方法放到自己的代码里，精确的控制他的行踪，与线程相似，我们称这种任务流程为协程。
协程实在一个线程之内，无需操作系统参与，由程序自身调度的执行单位。
按照上述模式，在一个进程之内同时处理多个协程，充分利用CPU时间，就是我们需要的异步编程。

底层依赖epoll

在Linux下，底层对一个耗时操作（如网络访问）的处理流程为：
发起访问，将网络连接的文件描述符和期待事件注册到epoll里。当期待事件发生，epoll触发事件处理机制，通过回调函数通知tornado，tornado切换协程。

用生成器实现协程

要实现上述异步的操作，必须判断两个点：
1.等待开始----协程走到这里，去epoll注册，将CPU的控制权让给别的协程。
2.等待结束----协程走到这里，接到epoll回调，开始请求CPU的控制权，执行后续操作。
在Tornado 里，用一个yield语句来表示这两个点。程序开始等待时，向外yield一个Future对象，知道等待结束才回来执行yield的下一条语句。

Tornado异步HTTP服务器

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Tornado最大用途当然是HTTP服务器

异步HTTP服务器

#http_0.py
from tornado.ioloop import IOLoop
from tornado import gen,web

class ExampleHandler(web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        delay = self.get_argument('delay', 5)
        yield gen.sleep(int(delay))
        self.write({"status":1, "msg":"success"})
        self.finish()
    # @gen.coroutine
    # def post(self):
    # pass
application = web.Application([
    (r"/example", ExampleHandler),
    #(r"/other", OtherHandler),
    ],autoreload = True)
application.listen(8765)
IOLoop.current().start()

运行以上代码，用浏览器访问http://localhost:8765/example?delay=1
即可在延迟1秒之后得到返回结果{
"status": 1,
"msg": "success"
}。
delay传入是几就延迟几秒，如果没有传入，默认值为5。
在这个例子里，我们用gen.sleep实现延迟。gen.sleep与time.sleep的用法相似，区别在于它是异步的，只阻塞当前协程，等待一段时间，但不影响同一进程内的其他协程的执行。
可以认为gen.sleep是time.sleep的一个异步版本。在tornado开发中，我们经常需要使用某个内含等待的函数的异步版本，以免同步的等待阻塞住整个进程。这些异步的操作都返回Future对象。

检验他能否并发服务

打开两个浏览器（不要使用同一个浏览器的两个标签页），各自在地址栏中输入http://localhost:8765/example?delay=10
尽可能快的在两个浏览器里先后敲回车加载页面，你会发现，两个页面都是在你开始加载的10秒之后返回，两次加载的总用时是10秒稍多，远不到20秒，这说明我们的事例程序虽然只有一个进程，一个线程，却能在第一个请求完成之前开始处理第二个请求。

对代码的详细解说

tornado与webapp一样，用一个继承于web.RequestHandler的类构造处理HTTP访问的handler，不同于Django，flask，bottle等用函数构造handler。在这个类里，我们重载get方法来处理GET请求，也可以重载post, put,delete等其他HTTP方法。
你大概注意到了，重载的方法前都加了@gen.coroutine这样一个装饰器，他的作用就是把一个普通的函数变成一个返回Future对象的函数，即异步函数。
异步函数一定要用yield调用，而且只有在另一个异步函数之内的调用才能起作用。
用self.write输出执行结果。如果输出的是一个字典，tornado会自动把它变成JSON串
正常结束的HTTP调用须以self.finish()结束。但如果是渲染模版或者跳转到其他网站，不应该添加self.finish().
接下来要构造Application对象，然后监听端口，启动消息循环，服务器就能运行起来了。

创建Appliaction对象时可设置这些参数

autoreload:若设为True，在程序运行起来之后，每次编辑代码并保存时，可以自动重新运行
debug:若设制为true，会把运行出错信息打印在屏幕上。
cookie_secret:用于cookie加密的密钥，形如：“ofjf939.m%dw$#3fdn923hrfsp309-[2”。
static_path:静态文件路径。如果与当前文件同一路径，可设为：os.path.dirname(file).
xsrf_cookies:xsrf检测

多进程服务器

前面讨论过，一个典型的单进程，单线程。需访问数据库的异步Tornado服务器每秒可以响应500个请求，在较低配置服务器上实际的负载能力大概也是这个数字。如果需要更高的负载能力，且服务器有多个CPU，应开启多个服务进程。
只要将

application.listen(8765)

改为

from tornado.httpserver import HTTPServer
server = HTTPServer(application)
server.bind(8765)
server.start(4)

就能同时启动4个进程了。
理论上讲，在一个线程里也能运行多个协程，可以作出「多进程 × 多线程 × 多协程」的模式。而实际上，协程可以完全代替线程，「多进程 × 多协程」已经能够充分利用服务器的硬件资源。

流式响应的HTTP服务器

如果响应数据较大，为了节约内存，或者是各部分数据的返回要有一个时间差，我们需要将数据分成多次发送。

#http_stream.py
from tornado.ioloop import IOLoop
from tornado import gen,web

class ExampleHandler(web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        for _ in range(5):
            yield gen.sleep(1)
            self.write('zzzzzzzzzzzz<br>')
            self.flush()
        self.finish()

application = web.Application([
    (r"/example", ExampleHandler),
    ],autoreload = True)
application.listen(8765)
IOLoop.current().start()

演示及解说

与前面的http_0.py相比，明显多了一行self.flush().他的作用是将此前由self.write()写入缓冲区的内容发送出去。在self.finish()结束这次响应之前，可以多次调用self.write和self.flush,逐步发送数据.
运行这段代码，用浏览器访问http://localhost:8765/example
可以看到页面每隔一秒打印一行输出。如果注释掉self.flush()在运行，就会等到5秒时候才将5行输出同时打印出来.

访问数据库

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#http_db.py
from tornado.ioloop import IOLoop
from tornado import gen,web
from tornado_mysql import pools

connParam = {'host':'localhost', 'port':3306, 'user':'root', 'passwd':'123456', 'db':'testdb'}

class GetUserHandler(web.RequestHandler):
    POOL = pools.Pool(
        connParam,
        max_idle_connections=1,
        max_recycle_sec=3,
        )

    @gen.coroutine
    def get(self):
        userid = self.get_argument('id')
        cursor = yield self.POOL.execute('select name from user where id = %s', userid)

        if cursor.rowcount > 0:
            self.write( { "status": 1, "name": cursor.fetchone()[0] } )
        else:
            self.write( { "status": 0, "name": "" } )

        self.finish()

application = web.Application([
    (r"/getuser", GetUserHandler),
    ],autoreload = True)
application.listen(8765)
IOLoop.current().start()

以上代码从mysql库中读取数据。

演示

首先，安装tornado-MySQL
然后，在你的mysql中建立一个名为user的表，至少有两个字段：一个整数型的id,和一个字符串型的name。
编辑http_db.py，将mysql的连接参数填入connParam中。运行http_db.py，用浏览器访问：http://localhost:8765/getuser?id=1
如果你的user表中有id=1的数据，他的name字段是jim,你将看到返回值：{
"status": 1,
"name": "jim"
}
如果没有找到数据，你将看到返回值：{
"status": 0,
"name": ""
}

需要ORM？

很多人喜欢通过ORM访问数据库，而Tornado没有提供异步的ORM工具。
这是访问mysql的例子，如果你要使用postgresql或其他数据库，也需要先安装这些数据库的tornado接口，就像tornado_mysql一样。

访问网路

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http_req.py
from tornado.ioloop import IOLoop
from tornado import gen,web
from tornado.httpclient import AsyncHTTPClient

url = 'http://hq.sinajs.cn/list=sz000001'

class GetPageHandler(web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        client = AsyncHTTPClient()
        response = yield client.fetch(url, method='GET')
        self.write(response.body.decode('gbk'))
        self.finish()

application = web.Application([
    (r"/getpage", GetPageHandler),
    ],autoreload = True)
application.listen(8765)
IOLoop.current().start()

演示

运行http_req.py，用浏览器访问：http://localhost:8765/getpage,即可看到从http://hq.sinajs.cn/list=sz000001抓取的内容。

解说

Tornado有一个AsyncHTTPClient用于访问其他网页，用法比较简单。他在fetch方法中等待远端网页返回内容，因此也要以yield调用。

tornado用户认证

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#http_auth.py
from tornado.ioloop import IOLoop
from tornado import gen,web

class LoginHandler(web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        self.set_secure_cookie('username', 'Jim')
        self.write('login ok.')
        self.finish()

class LogoutHandler(web.RequestHandler):
    @gen.coroutine
    def get(self):
        self.clear_cookie('username')
        self.write('logout ok.')
        self.finish()

class WhoHandler(web.RequestHandler):
    def get_current_user(self):
        if self.get_secure_cookie('username'):
            return str(self.get_secure_cookie('username'), encoding = "utf-8")
        else:
            return 'unknown'
    @gen.coroutine
    def get(self):
        self.write('you are ' + self.current_user)
        self.finish()

application = web.Application([
    (r"/login", LoginHandler),
    (r"/logout", LogoutHandler),
    (r"/whoami", WhoHandler),
    ],autoreload = True,
    cookie_secret="feljjfesrh48thfe2qrf3np2zl90bmw")
application.listen(8765)
IOLoop.current().start()

演示

1.运行http_auth.py，用浏览器访问http://localhost:8765/whoami，可以看到输出：you are unknown,说明还没有登录
2.访问http://localhost:8765/login，看到：login ok.登录成功。在访问http://localhost:8765/whoami，这是会看到： you are Jim，说明你已经以Jim身份登录了。
3.访问http://localhost:8765/logout，看到：logout ok，退出登录，在访问http://localhost:8765/whoami，又变回了：you are unknown,说明你已经退出了登录。

解说

你知道服务端通常用 cookie 保存用户的身份信息。login 时创建 cookie；logout 时清除 cookie；需要检查用户身份时，读取 cookie。
在 tornado 里，创建 cookie 通常用 set_secure_cookie，这样创建的 cookie 是加密的。与之对应的读取加密 cookie 的方法是 get_secure_cookie。
为了给 cookie 加密，要在创建 Application 时添加 cookie_secret 属性，这是加密的密钥，它的值用一串乱写的字符就行了。
清除 cookie 用 clear_cookie。
在 RequestHandler 里有一个 get_current_user 方法，它会在 get / post 之前调用，其返回值会赋予 current_user 属性。我们在 WhoHandler 里重载了 get_current_user，后面在 get 里就能直接使用 self.current_user 了。

tornado定时任务

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定时任务分两种，一种是每隔一定的时间周期性地执行，另一种是在某个钟点单次执行。

周期性定时任务

#cron_0.py
from tornado import ioloop, gen

@gen.coroutine
def Count():
    print("1 second has gone.")

if __name__ == '__main__':
    ioloop.PeriodicCallback(Count, 1000).start()
    ioloop.IOLoop.current().start()

演示及解说

在启动消息循环之前，用PeriodicCallback设定每1000毫秒执行一次异步函数Count。直接运行，每过一秒会打印一行：1 second has gone.

单次定时任务

#cron_1.py
from tornado import ioloop, gen
from time import time

@gen.coroutine
def Ring():
    print('it\'s time to get up')

if __name__ == '__main__':
    loop = ioloop.IOLoop.current()
    loop.call_at(time() + 5, Ring)
    loop.start()

演示及解说

在启动消息循环之前，用call_at设定5秒后执行一次异步函数Ring。如果想在明早9点执行，需要输入明早9点的unix时间戳。
直接运行上述代码，5秒之后会打印一行：it's time to get up.仅此一次。
如果要在一个相对的时间（例如五秒钟后）而不是一个绝对时间（例如八点整）运行定时任务，用 call_later 会比 call_at 更简单一点。可以将

loop.call_at(time() + 5, Ring)

改为

loop.call_later(5,Ring)

执行效果是一样的。

单元测试

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#test.py
from tornado.testing import gen_test, AsyncTestCase
from tornado.httpclient import AsyncHTTPClient
import unittest

class MyAsyncTest(AsyncTestCase):
    @gen_test
    def test_xx(self):
        client = AsyncHTTPClient(self.io_loop)
        path = 'http://localhost:8765/example?delay=2'
        responses = yield [client.fetch(path, method = 'GET') for _ in range(10)]
        for response in responses:
            print(response.body)

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

演示

1.先运行http_0.py，保证通过浏览器访问http://localhost:8765/example?delay=2能得到结果
2.运行test.py，看到如下输出

 

屏幕快照 2018-11-01 上午9.52.49.png

可见，测试模块在2.027s之内完成了10次请求，每个请求都要延迟2秒返回，因此，这10个请求必定是并行执行的。

解说

与普通的 unittest 用法相似，先定义好基于 AsyncTestCase 的测试类，在执行 unittest.main()时，测试类中所有 以 test 开头的方法都会执行。
注意，测试类中的方法要以 gen_test 装饰。
每次测试整体的用时不能超过 5 秒，超则报错。

tornado异步TCP连接

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tornado有TCPClient和TCPServer两个类，可用于实现tcp的客户端和服务端。事实上，这两个类都是对iostream的简单包装。

真正重要的是iostream

iostream是client与server之间的tcp通道，被动等待创建iostream的一方是server，主动找对方创建的一方是client。
在iostream创建之后，client与server的操作再无分别，在任何时候都可以通过iostream.write向对方传送内容，或者通过iostream.read_xx接受对方传来的内容，或者以iostream.close关闭连接。

TCPServer

#tcp_server.py
from tornado import ioloop,gen,iostream
from tornado.tcpserver import TCPServer

class MyTcpServer(TCPServer):
    @gen.coroutine
    def handle_stream(self,stream,address):
        try:
            while True:
                msg = yield stream.read_bytes(20, partial = True)
                print(msg, 'from', address)
                yield stream.write(msg[::-1])
                if msg == 'over':
                    stream.close()
        except iostream.StreamClosedError:
            pass

if __name__ == '__main__':
    server = MyTcpServer()
    server.listen(8760)
    server.start()
    ioloop.IOLoop.current().start()

解说

创建一个继承于TCPServer的类的实例，监听端口，启动服务器，启动消息循环，服务器开始运行。
这时，如果有client连接过来，tornado会创建一个iostream,然后调用handle_stream方法，调用时传入的两个参数是iostream和client的地址。
我们示例的功能很简单，每收到一段 20 字符以内的内容，将之反序回传，如果收到 'over'，就断开连接。注意，断开连接不用 yield 调用。
无论是谁断开连接，连接双方都会各自触发一个 StreamClosedError。

TCPClient

#tcp_client.py
from tornado import ioloop,gen,iostream
from tornado.tcpclient import TCPClient

@gen.coroutine
def Trans():
    straem = yield TCPClient().connect('localhost', 8760)
    try:
        for msg in ('zzxxc', 'abcde', 'i feel lucky', 'over'):
            yield straem.write(msg.encode('utf-8'))
            back = yield straem.read_bytes(20, partial = True)
            print(back)
    except iostream.StreamClosedError:
        pass

if __name__ == '__main__':
    ioloop.IOLoop.current().run_sync(Trans)

解说

使用TCPClient比TCPServer更简单，无需继承，只要用connect方法连接到server，就会返回iostream对象了。
在本例中，我们像server发送一些字符串，他都会反序发回来，最后发个“over”，让sever断开连接。
值得注意，这段代码与之前的几个例子有个根本的区别，之前都是服务器，被动等待行为发生，而这段代码是一运行就主动发起行为（连接），因此它的运行方式不同于以往，需要我们主动通过 ioloop 的 run_sync 来调用。以往那些实例中的异步处理方法实际是由 Tornado 调用的。在 run_sync 里，tornado 会先启动消息循环，执行目标函数，之后再结束消息循环。

演示

在第一个终端端口运行tcp_server.py,在第二个终端端口运行tcp_client.py，即可看到他们之间的交互和断开的过程。

tornado的ioloop消息循环

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tornado的异步功能都是通过ioloop实现的。
前面的每一段示例代码的最后一行都是启动ioloop:

ioloop.IOLoop.current().start()

每个进程都有一个磨人的ioloop，虽然还可以有更多个，通常使用默认的就够了。在上面的这行代码里，我们通过current()获得当前的ioloop，让他start(),ioloop就会一直跑下去，让他run_sync，就会跑起来，执行目标函数，执行完就停止。
一般编程中很少用到ioloop的其他功能，只要简简单单的处理好RequestHandler的get/post方法，调用tornado-Mysql的异步函数访问数据库，返回结果就可以了。
可是，如果有些内含等待（CPU休息）的操作，找不到现成的异步库，只要深入到这个操作的底层，靠ioloop，可以把同步的操作变成异步。

把同步的操作变成异步

内含等待的操作大概有几种情况：
1.为了拖时间而等待
对应前面用过的 gen.sleep，如果没有 gen.sleep 呢？可以很简单地通过也在前面用过的 call_at 或 call_later 来实现这个功能。
2.等待网络返回
这一部分是本章的重点。我们将不再使用 iostream，而是在同步代码的基础上，用 ioloop 自己实现一个与 iostream 同样异步、高效的 tcp client。

同步的代码

#sync_client.py
import socket
from time import time

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(('localhost', 8760))
t0 = time()
for _ in range(1000):
    sock.send(b'test message.')
    sock.recv(99)

print('time cost', time() - t0)
sock.close()

演示及解说

这是一段十分普通的tcp client代码，当然它是同步的，连上服务器之后，发一条，收一条，重复一千次，看他耗时多少。
服务器端就用我们前面用过的tcp_server.py，在运行sync_client.py,转瞬之间就结束了，输出：time cost 0.15320992469787598
这么快，还需要异步吗？
慢着，快是因为我们服务端的处理极其简单，又放在本地，实际的情况复杂得多。为了模拟真实场景，我们在服务端加一个只有 5ms 的时延。
在

yield stream.write(msg[::-1])

之前加上

yield gen.sleep( 0.005 )

加上时延之后重新启动 tcp_server.py，再运行 sync_client.py，这回就慢多了。输出：time cost 6.7937400341033936
由于时延，client 每次发出消息之后要等 5 ms 以上才能收到回复，时间浪费在 recv 里，一千次当然要五秒多。我们的目标就是通过异步编程优化等待的开销。

再看看异步的代码

#async_client.py
import socket
from time import time
from tornado import ioloop

loop = ioloop.IOLoop.current()

socks = [socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) for _ in range(50)]
[sock.connect(('localhost', 8760)) for sock in socks]
SockD = {sock.fileno(): sock for sock in socks}
t0 = time()
n = 0
def OnEvent(fd, event):
    if event == loop.WRITE:
        loop.update_handler(fd, loop.READ)
    elif event == loop.READ:
        sock = SockD[fd]
        sock.recv(99)
        global n
        n += 1
        if n >= 1000:
            print('time cost ', time() - t0)
            sock.close()
            loop.remove_handler(fd)
            loop.stop()
            return
        loop.update_handler(fd, loop.WRITE)
        sock.send(b'test message.')

for fd, sock in SockD.items():
    loop.add_handler(fd, OnEvent, loop.WRITE)
    sock.send(b'test message.')
loop.start()

演示及解说

启动加了时延的tcp_server.py，在运行aync_client.py，瞬间结束，输出：time cost 0.27816009521484375
比同步的快四，五十倍。
为什么这么快？因为现在的recv虽然写法与同步版本一样，调用的时机已经不同。
同步的版本，send之后紧接着调用recv，却不知道数据多久才能返回，从调用recv到获得数据之间只能等待。而现在的异步版本，send完成时只是注册了一个读事件，直到真有数据到来时才调用recv，于是recv不用等待，时间就节省下来了。
节省下来的时间给了别的协程。可以看到，我们创建了50个连接来完成这一千次收发，每个连接一个协程，send之后数据未来之际，别的协程可以发送自己的数据。

程序运行步骤

1.创建50个socket对象并全部连接到服务器。
2.为这些socket对象创立文件描述符的索引。后面，在回调函数里，我们要通过文件描述符获取socket对象
3.对每个socket对象注册一个WRITE事件的回调函数，之后发送第一条消息。消息发送完成时，WRITE事件发生，触发i oloop执行刚刚注册的回调函数，传入文件描述符和触发回调的事件，这次的事件是WRITE。接下来我们要等待服务器端返回的消息，因此将注册等待的事件改为READ。
4.对于每个等待READ事件的socket对象，一旦有数据来，又以事件READ触发回调，我们检查一下n的值，未满1000就发下一条数据。发之前要再把注册等待的事件改为WRITE。
5.重复3，4两步，直到发满一千条，取消事件注册，结束。

我们用了 ioloop 的三个方法来实现消息注册与回调：
add_handler：注册一个回调函数到一个文件描述符的指定事件上；
update_handler：改变 add_handler 注册的事件，文件描述符和回调函数不变；
remove_handler：取消事件注册。

作者：内心强大的Jim
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來源：简书
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