Python中的协程与异步编程中的异步上下文管理器与async with语句

1. 异步上下文管理器的背景与需求

在异步编程中，常见的资源操作（如文件I/O、数据库连接、网络请求）可能需要等待I/O完成。如果使用传统的同步上下文管理器（如with open(...)），在进入或退出上下文时可能会阻塞事件循环。异步上下文管理器通过__aenter__和__aexit__方法，允许在异步环境中非阻塞地管理资源。

2. 异步上下文管理器的协议定义

一个类要成为异步上下文管理器，需实现以下两个异步方法：

1. __aenter__(self): 在进入async with代码块时自动调用，可以执行异步初始化操作（如建立数据库连接）。
2. __aexit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb): 在退出代码块时自动调用，用于异步清理资源（如关闭连接），并能处理异常。

注意：

• 这两个方法必须定义为async def。
• __aexit__的参数用于捕获代码块内可能发生的异常（若未发生异常，这些参数为None）。

3. async with语句的工作流程

以下代码展示了async with的执行顺序：

async with AsyncManager() as resource:
    # 代码块内的操作
    pass

步骤分解：

1. 调用AsyncManager()创建实例。
2. 自动调用实例的__aenter__方法，并等待其完成（await隐式发生）。
3. __aenter__的返回值被赋值给resource。
4. 执行代码块内的逻辑。
5. 无论代码块是否发生异常，都会自动调用__aexit__方法，并等待其完成。
6. 如果代码块内发生异常，异常信息会传递给__aexit__，由其决定是否处理（返回True则抑制异常，否则异常传播）。

4. 手动实现异步上下文管理器示例

以下是一个模拟数据库连接的异步上下文管理器：

class AsyncDatabaseConnection:
    async def __aenter__(self):
        print("异步连接数据库...")
        await asyncio.sleep(1)  # 模拟异步连接
        self.connection = "模拟的数据库连接"
        return self.connection
    
    async def __aexit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        print("异步关闭数据库连接...")
        await asyncio.sleep(0.5)  # 模拟异步关闭
        if exc_type:
            print(f"发生异常: {exc_val}")
        # 返回False时，异常会传播；返回True则抑制异常

# 使用示例
async def main():
    async with AsyncDatabaseConnection() as conn:
        print(f"使用连接: {conn}")
        # 模拟数据库操作
        await asyncio.sleep(2)

asyncio.run(main())

输出结果：

异步连接数据库...  
使用连接: 模拟的数据库连接  
异步关闭数据库连接...  

5. 使用contextlib简化实现

Python的contextlib模块提供了@asynccontextmanager装饰器，可以用生成器快速创建异步上下文管理器：

from contextlib import asynccontextmanager

@asynccontextmanager
async def async_timer():
    start = asyncio.get_event_loop().time()
    print("开始计时")
    try:
        yield start  # 在此处暂停，执行代码块
    finally:
        end = asyncio.get_event_loop().time()
        print(f"耗时: {end - start:.2f}秒")

async def main():
    async with async_timer() as start_time:
        print(f"起始时间: {start_time}")
        await asyncio.sleep(2)

asyncio.run(main())

输出：

开始计时  
起始时间: 12345.67  
耗时: 2.00秒  

6. 常见应用场景

1. 数据库连接池：如async with pool.acquire() as conn。
2. 异步文件I/O：如aiofiles库的async with aiofiles.open(...) as f。
3. 网络请求会话：如aiohttp的async with aiohttp.ClientSession() as session。
4. 事务管理：在异步ORM中管理数据库事务的提交与回滚。

7. 注意事项

• 若在__aenter__或__aexit__中忘记使用await，可能导致资源未正确初始化或清理。
• 异步上下文管理器必须用在异步函数内（async def），否则会报语法错误。
• 与同步上下文管理器（__enter__/__exit__）协议不同，二者不能混用。