aiohttp从入门到精通

I. 概述

A. 异步编程概述

异步编程是一种编写并发代码的方法，它能够提高程序的性能和响应速度。在传统的同步编程模型中，程序会等待一个函数或任务完成才能继续执行下一个任务，这可能会导致长时间的等待和阻塞。而在异步编程模型中，程序可以同时处理多个任务，并且不会阻塞主线程。

异步编程通常基于回调、事件循环和协程来实现。回调是指当一个函数完成时，调用另一个函数来处理结果。事件循环是一种机制，通过在一个无限循环中不断地监听和处理事件，来实现异步操作和并发处理。而协程则是一种轻量级的线程，在运行时可以暂停和继续执行，从而允许程序更加高效地利用计算资源和IO资源。

异步编程的优势在于可以提高程序的吞吐量和响应速度，在处理大量IO密集型任务时特别有效。在Python中，asyncio库是一种实现异步编程的方式。aiohttp就是基于asyncio库实现的HTTP客户端/服务器框架。

B. aiohttp详解

aiohttp是一个Python的HTTP客户端/服务器框架，它基于asyncio库实现异步编程模型，可以支持高性能和高并发的HTTP通信。aiohttp用于编写异步的Web服务器、Web应用程序或HTTP客户端，以提供对Web和HTTP资源的访问和操作。

在aiohttp中，HTTP客户端提供了一种发送HTTP请求和处理响应的异步方式，而HTTP服务器则提供了一种异步处理HTTP请求和响应的方式。在使用aiohttp编写Web应用程序时，我们可以选择使用内置的路由器和视图功能来处理HTTP请求，并使用异步模板引擎来渲染HTML页面。

aiohttp支持WebSocket协议，使得我们可以轻松地在应用程序中实现实时通信和数据推送。aiohttp的API设计简单、易用，与Python开发者熟悉的asyncio风格一致。因此，即使没有使用过aiohttp也可以较快上手。 aipyhttp适用于那些需要高性能、高吞吐量、高并发的Python网络应用场景，如实时聊天、在线游戏、大数据分析等。

C. aiohttp优势

1. 高性能

在CPU密集型任务下，异步编程相较于同步编程能够更好地利用CPU资源，从而实现高性能和高吞吐量。在IO密集型任务下，异步编程能够有效地避免等待I/O操作时的线程阻塞，从而降低了系统负载，提高了响应速度。

1. 高并发

aiohttp支持异步编程模型，使得它能够同时处理多个请求。通过使用协程和事件循环机制，aiohttp可以轻松处理大量并发请求，提高了应用程序的并发处理能力。

1. 轻量级

aiohttp的API简单易用，框架本身也非常轻便，没有过多的依赖，因此容易学习和部署。

1. WebSocket支持

aiohttp支持WebSocket协议，并提供了WebSocket相关的API，开发者可以在应用程序中方便地实现实时通信和数据推送功能。

II. 安装和配置

pip install aiohttp

一个简单的案例

import aiohttp

async def main():
    headers = {'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/58.0.3029.110 Safari/537.3'}
    timeout = aiohttp.ClientTimeout(total=10) # 设置总超时时间为10秒
    async with aiohttp.ClientSession(headers=headers, timeout=timeout) as session:
        async with session.get('https://www.example.com/') as response:
            html = await response.text()
            print(html)

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

III. 请求与响应

A. 发送POST请求

开发一个POST请求服务，并实现请求发送的客户端的示例代码：

Web服务器端代码：

from aiohttp import web

async def handle(request):
    data = await request.post()
    name = data.get('name', "Anonymous")
    age = data.get('age', "Unknown")
    text = f"Hello, {name}, you're {age} years old."
    return web.Response(text=text)

app = web.Application()
app.add_routes([web.get('/', handle),
                web.post('/', handle)])

if __name__ == '__main__':
    web.run_app(app)

客户端代码：

import aiohttp
import asyncio

async def post_data(session, url):
    data = {'name': 'John', 'age': 30}
    async with session.post(url, data=data) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        html = await post_data(session, 'http://localhost:8080/')
        print(html)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

这个示例中，我们首先创建了一个Web服务器，它能够处理POST请求并返回"Hello, {name}, you're {age} years old."的字符串。然后，我们编写了一个客户端程序，用于向服务器发送POST请求，并接收响应。

在客户端程序中，我们使用ClientSession对象来创建会话，并调用post_data函数来发送POST请求。其中，我们通过data参数来指定POST请求的数据。最后，我们将得到的响应正文打印到控制台上。

需要注意的是，在上述代码中，我们使用了 await request.post()来读取POST请求数据。在客户端程序中，我们使用了async with session.post(url, data=data)来发送POST请求。

B. 发送GET请求

开发一个GET请求服务，并实现请求发送的客户端的示例代码：

Web服务器端代码：

from aiohttp import web

async def handle(request):
    name = request.match_info.get('name', "Anonymous")
    text = f"Hello, {name}"
    return web.Response(text=text)

app = web.Application()
app.add_routes([web.get('/', handle),
                web.get('/{name}', handle)])

if __name__ == '__main__':
    web.run_app(app)

客户端代码：

import aiohttp
import asyncio

async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        html = await fetch(session, 'http://localhost:8080/John')
        print(html)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

首先创建了一个Web服务器，它能够处理GET请求并返回"Hello, {name}"的字符串。然后，我们编写了一个客户端程序，用于向服务器发送GET请求，并接收响应。

在客户端程序中，我们使用ClientSession对象来创建会话，并调用fetch函数来发送GET请求。最后，我们将得到的响应正文打印到控制台上。

需要注意的是，在客户端程序中，我们指定了服务器的URL为"http://localhost:8080/John"，其中"John"是URL路径中的参数。如果我们想请求不同的资源，只需要修改URL即可。

C. 获取响应信息

下面是获取响应各部分信息的示例代码：

import aiohttp
import asyncio

async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        # 获取状态码
        status = response.status
        
        # 获取响应头
        headers = response.headers
        
        # 以文本形式获取响应正文
        text = await response.text()
        
        # 以字节形式获取响应正文
        content = await response.read()
        
        return status, headers, text, content

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        status, headers, text, content = await fetch(session, 'https://www.example.com')
        print(status)
        print(headers)
        print(text)
        print(content)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在这个示例中，我们定义了一个fetch函数，它用于向指定URL发送GET请求，并返回响应的状态码、响应头、响应正文（以文本和字节形式）等信息。

在main函数中，我们使用ClientSession对象来创建会话，并调用fetch函数来发送GET请求。然后，我们将得到的响应状态码、响应头、响应正文打印到控制台上。

需要注意的是，在上述代码中，我们首先使用await response.text()和await response.read()两种方式获取响应正文。其中，text()方法返回字符串类型的响应正文，而`read()`方法返回字节类型的响应正文。

IV. Cookies和Session

在aiohttp中，操作Cookies和Session非常容易。以下是一个示例代码，演示如何使用aiohttp进行Cookies和Session的操作：

from aiohttp import web

async def handle(request):
    session = await request.session()
    count = session.get('count', 0)
    count += 1
    session['count'] = count
    text = f"Visited {count} times."
    return web.Response(text=text)

app = web.Application()
app.add_routes([web.get('/', handle)])

if __name__ == '__main__':
    web.run_app(app)

在这个示例中，我们创建了一个Web服务器，它能够记录网页被访问的次数。当请求到达时，我们首先获取或创建一个会话对象，然后从会话对象中读取count值（如果不存在，则默认为0），并将其加1。最后，我们将更新后的count值存储回会话对象中，并返回带有访问次数信息的响应。

在上面的示例中，我们使用了aiohttp提供的request.session()方法来创建或获取一个会话对象。在这个会话对象中，我们可以使用Python字典的语法来访问和修改任意键值对。例如，我们可以使用session['key'] = value来设置一个键值对，使用session.get('key', default)来读取一个键的值（如果不存在，则返回默认值）。

需要注意的是，在使用会话对象时，必须启用Web服务器的Sessions功能。要启用Sessions功能，只需在创建Web服务器实例时，设置session_factory参数即可。例如：

from aiohttp import web

async def handle(request):
    session = await request.session()
    count = session.get('count', 0)
    count += 1
    session['count'] = count
    text = f"Visited {count} times."
    return web.Response(text=text)

app = web.Application()
app.add_routes([web.get('/', handle)])
app.cleanup_ctx.append(lambda app: setup_session(app))

async def setup_session(app):
    app['session'] = await aiohttp_session.setup(
        app, aiohttp_session.SimpleCookieStorage())

if __name__ == '__main__':
    web.run_app(app)

在这个示例中，我们使用了aiohttp-session库来管理Sessions。我们首先在cleanup_ctx列表中注册了一个setup_session函数，用于在Web服务器启动前设置Sessions。在setup_session函数中，我们创建了一个SimpleCookieStorage对象，并将其作为会话存储器传递给aiohttp_session.setup()方法。这样，在请求到达时，我们就可以通过await request.session()方法来获取或创建会话对象了。

需要注意的是，如果要在Web服务器中使用Sessions功能，还需要按照官方文档说明正确地配置aiohttp_session库和相关依赖模块。

V. 异步处理

A. 协程

aiohttp使用协程来实现异步处理。协程可以看作是一种轻量级的线程，能够在单个线程中运行多个任务。在aiohttp中，使用async/await语法来定义协程函数。

例如，下面是一个简单的aiohttp协程示例：

import aiohttp
import asyncio

async def fetch(session, url):
    async with session.get(url) as response:
        return await response.text()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        html = await fetch(session, 'https://www.example.com')
        print(html)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在上面的示例中，我们使用aiohttp的ClientSession类创建一个HTTP会话，并定义了一个fetch函数来获取URL的响应内容。然后，在main函数中，我们调用fetch函数并等待其完成。通过在loop中运行main函数，我们可以异步地获取URL的响应内容。

B. 回调函数

除了使用async/await语法来定义协程函数外，aiohttp还支持使用回调函数来处理异步请求。我们可以使用add_done_callback方法向请求对象添加一个回调函数，在请求完成时自动调用该回调函数。

例如，下面是一个使用回调函数处理异步请求的aiohttp示例：

import aiohttp
import asyncio

def handle_response(response):
    print(response.status)
    asyncio.get_event_loop().stop()

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        url = 'https://www.example.com'
        async with session.get(url) as response:
            response.add_done_callback(handle_response)
            await asyncio.sleep(1)

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在上面的示例中，我们定义了一个handle_response函数来处理异步请求的响应内容。然后，在main函数中，我们向HTTP请求对象添加一个回调函数，并使用asyncio.sleep方法来等待异步请求完成。

VI. SSL认证

在aiohttp中，我们可以使用SSL/TLS协议来保护HTTP通信的安全性。SSL证书是一种数字证书，用于验证服务器身份并加密数据传输。在aiohttp中，我们可以通过配置SSL证书和可信机构列表来进行SSL认证。

下面是一个简单的示例代码，演示如何在aiohttp中启用SSL认证：

import aiohttp
import asyncio

async def main():
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get('https://www.example.com') as response:
            print(await response.text())

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在上面的示例中，我们使用aiohttp的ClientSession类创建一个HTTP会话，并向URL发起一个HTTPS请求。由于该URL使用了有效的SSL证书，因此该请求将成功执行。

但是，如果我们尝试向一个使用无效或过期SSL证书的URL发起HTTPS请求，则会引发SSL错误。为了解决这个问题，我们需要指定要使用的SSL证书和可信机构列表。

例如，下面是一个使用自签名SSL证书的aiohttp示例：

import aiohttp
import asyncio
import ssl

async def main():

    ssl_context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_CLIENT)
    ssl_context.load_verify_locations('/path/to/cert.pem')

    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get('https://www.example.com', ssl=ssl_context) as response:
            print(await response.text())

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在上面的示例中，我们通过ssl.SSLContext类创建了一个SSL上下文对象，并指定要使用的TLS协议版本。然后，我们使用load_verify_locations方法加载自签名证书，并将该证书用于SSL认证。

需要注意的是，在使用自定义SSL证书时，我们需要将证书文件传递给load_verify_locations方法。如果证书文件不是PEM格式的，我们还需要指定证书文件类型。

VII. WebSockets支持

A. WebSocket介绍

WebSocket是一种协议，用于在客户端和服务器之间进行实时双向通信。它允许数据在客户端和服务器之间以全双工方式流动，并且不需要使用HTTP请求/响应周期来发送数据。

WebSocket通过在客户端和服务器之间建立持久连接来实现实时通信。这个连接是基于TCP协议的，但是与HTTP请求/响应不同，它只需要一个握手过程，就可以在客户端和服务器之间创建长期的连接。

B. 使用aiohttp实现WebSocket

aiohttp提供了对WebSockets的完整支持，允许我们创建和管理WebSocket连接，并在客户端和服务器之间进行实时双向通信。下面是一个简单的aiohttp WebSocket示例：

import aiohttp
import asyncio

async def websocket_handler(request):

    ws = aiohttp.web.WebSocketResponse()
    await ws.prepare(request)

    async for msg in ws:
        if msg.type == aiohttp.WSMsgType.TEXT:
            await ws.send_str('Hello, ' + msg.data)
        elif msg.type == aiohttp.WSMsgType.ERROR:
            break

    return ws

app = aiohttp.web.Application()
app.add_routes([aiohttp.web.get('/', websocket_handler)])

if __name__ == '__main__':
    aiohttp.web.run_app(app)

在上面的示例中定义了一个websocket_handler函数来处理WebSocket请求。在这个函数中，我们使用aiohttp的WebSocketResponse类创建一个WebSocket响应对象，并调用它的prepare方法来准备WebSocket连接。