Python高级技术之：`FastAPI`的`async`和`await`：如何处理异步数据库操作。

各位观众，晚上好！今天咱们不聊风花雪月，来点硬核的——Python的FastAPI框架，以及它如何与异步数据库操作愉快地玩耍。准备好了吗？Let’s dive in!

开场白：异步的魅力

想象一下，你正在一家餐厅点餐。传统的同步模式就像只有一个服务员，你点了菜，他必须等你吃完，才能服务下一个顾客。效率低下，大家都在等！

而异步模式呢？就像餐厅有了多个服务员，你点了菜，服务员立刻去后厨下单，然后就可以去服务其他顾客。你的菜做好后，服务员再回来给你端上来。这样，大家都不用傻等，效率大大提高。

在编程世界里，异步编程就是这个道理。它允许你的程序在等待I/O操作（比如数据库查询、网络请求）完成时，去做其他的事情，而不是傻傻地阻塞在那里。

async和await：异步的黄金搭档

Python的async和await关键字，就像异步编程界的“史密斯夫妇”，是异步操作的核心。

• async: 声明一个函数为协程函数（coroutine function）。这意味着这个函数可以被异步执行。
• await: 用于等待一个协程函数的执行结果。它只会出现在 async 函数内部。当 await 遇到一个可以等待的对象（例如另一个协程），它会暂停当前协程的执行，直到等待的对象完成。

简单来说，async 定义“我可以异步”，await 表示“等等我”。

FastAPI与异步：天作之合

FastAPI从一开始就被设计成支持异步编程。这意味着你可以使用async和await关键字，在你的API路由中无缝地处理异步操作，从而提高应用程序的性能和响应速度。

异步数据库操作：实战演练

现在，让我们通过一个实际的例子，来看看如何在FastAPI中使用async和await来处理异步数据库操作。我们将使用asyncpg，一个用于PostgreSQL的异步Python驱动程序。

1. 安装依赖

首先，我们需要安装必要的库：

pip install fastapi uvicorn asyncpg

• fastapi: FastAPI框架
• uvicorn: ASGI服务器，用于运行FastAPI应用
• asyncpg: PostgreSQL的异步驱动程序

2. 数据库连接

我们需要创建一个异步函数来建立数据库连接。

import asyncio
import asyncpg
from fastapi import FastAPI, Depends

DATABASE_URL = "postgresql://user:password@host:port/database" #请替换成你的数据库连接信息

async def get_db():
    conn = await asyncpg.connect(DATABASE_URL)
    try:
        yield conn
    finally:
        await conn.close()

app = FastAPI()

#测试连接是否正常
@app.get("/test")
async def test_db_connection(db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    try:
        await db.execute("SELECT 1")
        return {"message": "数据库连接成功！"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"数据库连接失败：{str(e)}"}

这里，get_db函数是一个异步生成器函数（使用async def和yield）。它负责建立数据库连接，并在请求完成后关闭连接。Depends是FastAPI的依赖注入机制，它可以自动将数据库连接注入到你的API路由中。

3. 创建数据表

在数据库中创建一个名为users的表。

CREATE TABLE users (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(255) NOT NULL,
    email VARCHAR(255) UNIQUE NOT NULL
);

4. 定义API路由

现在，让我们定义一些API路由，用于创建、读取、更新和删除用户。

4.1 创建用户

from pydantic import BaseModel

class UserCreate(BaseModel):
    name: str
    email: str

@app.post("/users/")
async def create_user(user: UserCreate, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    try:
        new_user = await db.fetchrow("INSERT INTO users (name, email) VALUES ($1, $2) RETURNING id, name, email", user.name, user.email)
        return new_user
    except asyncpg.exceptions.UniqueViolationError:
        return {"message": "邮箱已存在"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"创建用户失败：{str(e)}"}

在这个路由中，我们使用了await来等待数据库插入操作完成。如果插入成功，我们将返回新创建的用户信息。如果邮箱已存在，我们将返回一个错误消息。

4.2 读取用户

@app.get("/users/{user_id}")
async def read_user(user_id: int, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    user = await db.fetchrow("SELECT id, name, email FROM users WHERE id = $1", user_id)
    if user:
        return user
    return {"message": "用户未找到"}

这个路由使用await来等待数据库查询操作完成。如果找到用户，我们将返回用户信息。否则，我们将返回一个错误消息。

4.3 更新用户

class UserUpdate(BaseModel):
    name: str = None
    email: str = None

@app.put("/users/{user_id}")
async def update_user(user_id: int, user: UserUpdate, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    # 构建更新语句
    updates = []
    params = []
    param_index = 1
    if user.name is not None:
        updates.append(f"name = ${param_index}")
        params.append(user.name)
        param_index += 1
    if user.email is not None:
        updates.append(f"email = ${param_index}")
        params.append(user.email)
        param_index += 1

    if not updates:
        return {"message": "没有提供任何需要更新的信息"}

    params.append(user_id) # User ID 放在最后

    update_statement = f"UPDATE users SET {', '.join(updates)} WHERE id = ${param_index} RETURNING id, name, email"

    try:
        updated_user = await db.fetchrow(update_statement, *params)
        if updated_user:
            return updated_user
        return {"message": "用户未找到"}
    except asyncpg.exceptions.UniqueViolationError:
        return {"message": "邮箱已存在"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"更新用户失败：{str(e)}"}

这个路由使用await来等待数据库更新操作完成。如果更新成功，我们将返回更新后的用户信息。如果用户未找到，我们将返回一个错误消息。 注意这里为了安全性，构建了动态的更新语句，避免SQL注入。

4.4 删除用户

@app.delete("/users/{user_id}")
async def delete_user(user_id: int, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    deleted_user = await db.fetchrow("DELETE FROM users WHERE id = $1 RETURNING id", user_id)
    if deleted_user:
        return {"message": "用户已删除"}
    return {"message": "用户未找到"}

这个路由使用await来等待数据库删除操作完成。如果删除成功，我们将返回一个成功消息。如果用户未找到，我们将返回一个错误消息。

5. 运行应用

将所有代码放在一个文件中，例如main.py，然后使用以下命令运行FastAPI应用：

uvicorn main:app --reload

现在，你可以使用任何HTTP客户端（例如curl、Postman）来测试你的API。

完整代码示例

import asyncio
import asyncpg
from fastapi import FastAPI, Depends
from pydantic import BaseModel

DATABASE_URL = "postgresql://user:password@host:port/database" #请替换成你的数据库连接信息

async def get_db():
    conn = await asyncpg.connect(DATABASE_URL)
    try:
        yield conn
    finally:
        await conn.close()

app = FastAPI()

#测试连接是否正常
@app.get("/test")
async def test_db_connection(db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    try:
        await db.execute("SELECT 1")
        return {"message": "数据库连接成功！"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"数据库连接失败：{str(e)}"}

class UserCreate(BaseModel):
    name: str
    email: str

@app.post("/users/")
async def create_user(user: UserCreate, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    try:
        new_user = await db.fetchrow("INSERT INTO users (name, email) VALUES ($1, $2) RETURNING id, name, email", user.name, user.email)
        return new_user
    except asyncpg.exceptions.UniqueViolationError:
        return {"message": "邮箱已存在"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"创建用户失败：{str(e)}"}

@app.get("/users/{user_id}")
async def read_user(user_id: int, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    user = await db.fetchrow("SELECT id, name, email FROM users WHERE id = $1", user_id)
    if user:
        return user
    return {"message": "用户未找到"}

class UserUpdate(BaseModel):
    name: str = None
    email: str = None

@app.put("/users/{user_id}")
async def update_user(user_id: int, user: UserUpdate, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    # 构建更新语句
    updates = []
    params = []
    param_index = 1
    if user.name is not None:
        updates.append(f"name = ${param_index}")
        params.append(user.name)
        param_index += 1
    if user.email is not None:
        updates.append(f"email = ${param_index}")
        params.append(user.email)
        param_index += 1

    if not updates:
        return {"message": "没有提供任何需要更新的信息"}

    params.append(user_id) # User ID 放在最后

    update_statement = f"UPDATE users SET {', '.join(updates)} WHERE id = ${param_index} RETURNING id, name, email"

    try:
        updated_user = await db.fetchrow(update_statement, *params)
        if updated_user:
            return updated_user
        return {"message": "用户未找到"}
    except asyncpg.exceptions.UniqueViolationError:
        return {"message": "邮箱已存在"}
    except Exception as e:
        return {"message": f"更新用户失败：{str(e)}"}

@app.delete("/users/{user_id}")
async def delete_user(user_id: int, db: asyncpg.Connection = Depends(get_db)):
    deleted_user = await db.fetchrow("DELETE FROM users WHERE id = $1 RETURNING id", user_id)
    if deleted_user:
        return {"message": "用户已删除"}
    return {"message": "用户未找到"}

异步的优势：对比同步

让我们用一个表格来总结一下异步编程的优势，并与同步编程进行对比：

特性	同步编程	异步编程
并发性	单线程，阻塞I/O	单线程，非阻塞I/O，使用事件循环
资源利用率	低，I/O等待期间CPU空闲	高，I/O等待期间CPU可以处理其他任务
响应速度	慢，需要等待I/O完成	快，可以在I/O等待期间响应其他请求
适用场景	CPU密集型任务，I/O操作较少	I/O密集型任务，例如网络应用、数据库应用
代码复杂度	相对简单	相对复杂，需要理解async和await
调试难度	相对容易	相对困难，需要理解事件循环和协程的执行流程

最佳实践和注意事项

• 选择合适的异步驱动程序： 不同的数据库有不同的异步驱动程序。选择与你的数据库兼容的驱动程序，并确保它经过良好的测试和维护。
• 避免阻塞操作： 在异步函数中，尽量避免执行任何阻塞操作（例如同步I/O操作）。如果必须执行阻塞操作，可以使用asyncio.to_thread将其放入单独的线程中执行。
• 处理异常： 异步代码中的异常处理非常重要。使用try...except块来捕获和处理可能发生的异常。
• 使用连接池： 数据库连接的创建和关闭是昂贵的操作。使用连接池可以重用现有的连接，从而提高性能。asyncpg内置了连接池支持。
• 避免过度使用异步： 异步编程并非银弹。对于CPU密集型任务，使用多线程或多进程可能更合适。

连接池的使用
使用连接池，可以避免频繁的创建和关闭数据库连接，提高性能，asyncpg库提供了连接池的支持。

import asyncio
import asyncpg
from fastapi import FastAPI, Depends

DATABASE_URL = "postgresql://user:password@host:port/database"  # 请替换成你的数据库连接信息

app = FastAPI()

async def create_db_pool():
    return await asyncpg.create_pool(DATABASE_URL)

async def get_db_pool():
    pool = await create_db_pool() #创建连接池
    try:
        yield pool
    finally:
        await pool.close()

@app.get("/test")
async def test_db_connection(db_pool = Depends(get_db_pool)): #使用连接池
    async with db_pool.acquire() as conn:
        try:
            await conn.execute("SELECT 1")
            return {"message": "数据库连接成功！"}
        except Exception as e:
            return {"message": f"数据库连接失败：{str(e)}"}

总结

今天，我们一起探索了FastAPI如何与async和await配合，处理异步数据库操作。希望通过今天的讲解，你对异步编程有了更深入的理解，并能够在你的项目中灵活运用。

记住，异步编程是一把双刃剑。它能显著提高性能，但也增加了代码的复杂性。只有在合适的场景下使用，才能发挥其最大的价值。

好了，今天的讲座就到这里。感谢大家的参与！下次再见！