البرمجة غير المتزامنة

19.1 المشكلة: انتظار يوقف كل شيء – הבעיה: חסימה (Blocking)

أمر مثل time.sleep(1) هو أمر حاجب (פקודה חוסמת): ما دام ينتظر، لا يُنفَّذ أي سطر آخر. لنضغط الزر لمدة 0.3 s في برنامج يومض كل ثانية:

import time
from machine import Pin
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
t0 = time.ticks_ms()

for i in range(4):
    led.value(1 - led.value())
    time.sleep(1)
    now = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), t0) / 1000
    print("%.1f s  button %d" % (now, btn.value()))

1.0 s  button 1
2.0 s  button 1
3.0 s  button 1
4.0 s  button 1

البرنامج يقرأ الزر عند كل ثانية كاملة فقط، والضغطة وقعت بين قراءتين. لاحظوا أن معظم زمن اللوحة يضيع هنا في انتظار لا يحتاج إلى أي حساب. والفكرة كلها في جملة واحدة: من ينتظر يترك الدور لغيره.

19.2 المهمة: async وawait – משימה: async ו-await (Coroutines)

import asyncio
import time

t0 = time.ticks_ms()


def stamp():
    return time.ticks_diff(time.ticks_ms(), t0) / 1000


async def work(name, n, gap):
    for i in range(n):
        print("%.1f  %s %d" % (stamp(), name, i))
        await asyncio.sleep(gap)


async def main():
    await asyncio.gather(work("A", 3, 1.0), work("B", 3, 0.6))
    print("%.1f  done" % stamp())


asyncio.run(main())

0.0  A 0
0.0  B 0
0.6  B 1
1.0  A 1
1.2  B 2
2.0  A 2
3.0  done

حين تصل A إلى await asyncio.sleep يبدأ دور B، وعند 0.6 s تستيقظ B ولا تحتاج إلى أي شيء من A. لا يوجد هنا تنفيذ متزامن حقيقي: سطر واحد فقط يعمل في كل لحظة.

19.3 إنشاء مهمة: create_task – יצירת משימה (create_task)

الدالة gather تنتظر الجميع. أحيانا نريد أن نطلق مهمة ونكمل عملنا، ثم ننتظرها لاحقا أو لا ننتظرها أبدا. هذا عمل create_task. وهنا أهم درس عن الترتيب:

import asyncio


async def job(name):
    print(name, "starts")
    await asyncio.sleep(1)
    print(name, "ends")


async def main():
    t = asyncio.create_task(job("A"))
    print("main: task created")
    await asyncio.sleep(0.1)
    print("main: back after 0.1 s")
    await t
    print("main: A finished")


asyncio.run(main())

main: task created
A starts
main: back after 0.1 s
A ends
main: A finished

• الدالة create_task تضع المهمة في قائمة المجدول فقط. ولا تتغيّر المهمة الجارية إلا عند await.
• لذلك لا تقطع مهمةٌ مهمةً أخرى في منتصف سطر، ونستطيع أن نقرأ متغيّرا مشتركا ونكتبه بين انتظارين دون أي قفل.
• لإيقاف مهمة قبل نهايتها نستعمل t.cancel()، وهو يرفع داخلها الاستثناء CancelledError.

19.4 مهمة تنبّه مهمة: Event – אירוע (Event)

مهمة تراقب الزر، ومهمة أخرى تنفّذ العمل. كيف تخبرها دون أن تسأل باستمرار؟ بالحدث (אירוע): كائن فيه علامة واحدة، set() يرفعها، وwait() ينتظرها، وclear() يخفضها.

import asyncio
from machine import Pin
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
pressed = asyncio.Event()


async def watch_button():
    last = 1
    while True:
        now = btn.value()
        if now == 0 and last == 1:
            pressed.set()
        last = now
        await asyncio.sleep_ms(20)


async def worker():
    while True:
        await pressed.wait()
        pressed.clear()
        led.value(1 - led.value())
        print("press: led", led.value())


async def main():
    await asyncio.gather(watch_button(), worker())


asyncio.run(main())

press: led 1
press: led 0
press: led 1
...

19.5 ثنائي وزر وحسّاس وخادم – נורית, כפתור ושרת במקביל

ثلاث مهام، لكل واحدة إيقاعها، وعدّادان يشتركان فيهما. لا تعرف أي مهمة شيئا عن إيقاع الأخرى، وهذا هو ما كان صعبا بعدّادات الفصل 4:

import asyncio
from machine import Pin
import board
from convert import to_percent

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
pot = board.analog_in(board.POT)
blinks = 0
presses = 0


async def blink():
    global blinks
    while True:
        led.value(1 - led.value())
        blinks += 1
        await asyncio.sleep_ms(300)


async def button():
    global presses
    last = 1
    while True:
        now = btn.value()
        if now == 0 and last == 1:
            presses += 1
        last = now
        await asyncio.sleep_ms(20)


async def report():
    while True:
        await asyncio.sleep(2)
        level = to_percent(pot.read_u16())
        print("blinks", blinks, "presses", presses, "pot", level)


async def main():
    await asyncio.gather(blink(), button(), report())


asyncio.run(main())

blinks 7 presses 2 pot 50
blinks 14 presses 3 pot 50
...

والخادم مهمة أخرى. المكتبة تعطينا asyncio.start_server، وهي تستدعي دالة لكل متصفّح يتصل، وكل دالة منها مهمة مستقلة. البرنامج التالي لم يُشغَّل عند بناء الكتاب، لأن مُحاكاتنا لا توفّر هذه الدالة، وقد فحصناه بالترجمة فقط:

import asyncio
from machine import Pin
import board
import wifi

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
blinks = 0


async def blink():
    global blinks
    while True:
        led.value(1 - led.value())
        blinks += 1
        await asyncio.sleep_ms(300)


async def handle(reader, writer):
    await reader.readline()
    while await reader.readline() not in (b"\r\n", b""):
        pass
    writer.write(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
    writer.write(b"blinks %d\n" % blinks)
    await writer.drain()
    writer.close()
    await writer.wait_closed()


async def main():
    wifi.connect()
    await asyncio.start_server(handle, "0.0.0.0", 80)
    await blink()


asyncio.run(main())

• الخادم في الفصل 14 ينتظر عند accept() ولا يفعل شيئا غيره. هنا يستمر الوميض بينما ينتظر الخادم.
• await reader.readline() وawait writer.drain() هما مكانا تسليم الدور عند الخادم.
• wifi.connect حاجبة، لكنها تعمل قبل بدء المهام الأخرى، فلا تعطّل شيئا.

19.6 مصيدتان – מלכודות (Pitfalls)

أمر حاجب داخل مهمة:

المهمة slow تستعمل هنا time.sleep بدلا من await asyncio.sleep:

import asyncio
import time

t0 = time.ticks_ms()


def stamp():
    return time.ticks_diff(time.ticks_ms(), t0) / 1000


async def beat():
    for i in range(6):
        print("%.1f  beat" % stamp())
        await asyncio.sleep(0.5)


async def slow():
    await asyncio.sleep(1.2)
    print("%.1f  slow starts" % stamp())
    time.sleep(2)
    print("%.1f  slow ends" % stamp())


async def main():
    await asyncio.gather(beat(), slow())


asyncio.run(main())

0.0  beat
0.5  beat
1.0  beat
1.2  slow starts
3.2  slow ends
3.2  beat
3.7  beat
4.2  beat

المجدول لا يقطع أي مهمة: هو ينتظر أن تعيد الدور. فإذا استبدلنا السطر بـawait asyncio.sleep(2) عادت النبضات إلى إيقاعها:

0.0  beat
0.5  beat
1.0  beat
1.2  slow starts
1.5  beat
2.0  beat
2.5  beat
3.2  slow ends

مهمة منسية:

import asyncio


async def job(name):
    print(name, "starts")
    await asyncio.sleep(1)
    print(name, "ends")


async def main():
    a = job("A")
    asyncio.create_task(job("B"))
    await asyncio.sleep(0.5)
    print("main ends")


asyncio.run(main())
print("program ends")

B starts
main ends
program ends

• a = job("A"): الاستدعاء ينشئ كائنا فقط، سواء حفظناه أم لا. نحتاج إلى await أو create_task. وهذا أكثر خطأ نقع فيه في البداية.
• asyncio.run ينتهي بنهاية main: ولا ينتظر بقية المهام. لذلك تنتهي main بـgather أو await t حين يهمّنا إكمالها.
• مهمة ترفع استثناء: تموت وحدها، ويكمل الباقي. نضع ما قد يفشل في try/except داخل المهمة، كما في بوت الفصل 18.

19.7 متى نستعمل كل أداة؟ – מתי להשתמש בכל כלי

والقاعدة العملية: زمن الاستجابة في asyncio لا يقل عن أطول مقطع بين await وawait. فإذا كان الحدث أقصر من ذلك فهو للمقاطعة، وتستطيع المقاطعة أن تسجّله في متغيّر تقرؤه مهمة لاحقا. وكثيرا ما نجمع الأدوات في برنامج واحد.

أهمّ أفكار الفصل:

• المهام تتناوب على معالج واحد، ولا يتبدّل الدور إلا عند await.
• مع gather الزمن الكلي هو الأطول بين المهام، وليس مجموعها.
• create_task يطلق مهمة لا تبدأ إلا عند أول await في المهمة الجارية.
• Event علامة تنبّه مهمة، ونخفضها بـclear().
• أمر حاجب واحد يوقف كل المهام، واستدعاء بلا await لا يشغّل شيئا.
• المقاطعة للحدث القصير، وasyncio للانتظار الطويل.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

import asyncio
from machine import Pin
import board


async def blink(pin, ms):
    led = Pin(pin, Pin.OUT)
    while True:
        led.value(1 - led.value())
        await asyncio.sleep_ms(ms)


async def main():
    await asyncio.gather(blink(board.LED, 500),
                         blink(board.LED_EXT, 130))


asyncio.run(main())

import asyncio
from machine import Pin
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
period = 500


async def blink():
    while True:
        led.value(1 - led.value())
        await asyncio.sleep_ms(period)


async def button():
    global period
    last = 1
    while True:
        now = btn.value()
        if now == 0 and last == 1:
            period = 100 if period == 500 else 500
        last = now
        await asyncio.sleep_ms(20)


async def main():
    await asyncio.gather(blink(), button())


asyncio.run(main())