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[PyCon KR 2019] Real-world asyncio

Joongi Kim
August 18, 2019

[PyCon KR 2019] Real-world asyncio

Joongi Kim

August 18, 2019
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Transcript

  1. PyCon Korea 2019
    Real-world asyncio
    (본격 믿는 에 찍힌 이야기)
    김준기
    Lablup Inc.

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  2. § CTO @ Lablup Inc.
    · Backend.AI 주 개발자
    § https://github.com/achimnol
    § asyncio와의 인연
    · Python 3.3 시절부터 asyncio 써왔음 (표준라이브러리 등재는 3.4)
    · pyzmq asyncio 성능 개선 이슈 제안 (zeromq/pyzmq#859)
    · PyCon APAC 2016 aiohttp 스프린트 참여
    About Me

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  3. § Cancellation 개념
    § 나의 발등을 찍었던 믿는 도끼 사례들
    § Structured Concurrency
    § 그동안 제안된 대안들
    § 요약
    Contents

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  4. § 비동기 I/O(연산 아님!)를 이벤트루프 기반으로 코루틴 형식으로 표현 및 실행
    · 내부적으로는 generator처럼 취급됨
    § async def로 코루틴 함수(coroutine function)를 선언
    · 동기 코드에서 비동기 코드로 진입 : asyncio.run(f())
    · 흐름 분기(=새로운 "micro-thread" 생성) : asyncio.create_task(f())
    · 흐름 유지(=함수호출) : await f()
    · 추가 편의 기능 : async for, async with
    Asyncio in 1 slide
    Python 3.7에서 추가된
    사용자 친화 API

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  5. § Coroutine이 외부 요인에 의해 중단되었음을
    알려주는 역할
    § 모든 await 구문에서 발생할 수 있음
    · await가 없는 코드는 아무리 길고 오래 걸려도
    cancel 불가능
    · 당하는 입장에서는 CancelledError 예외로
    보이며, 이에 대한 처리를 통해 clean-up 가능
    § Task 또는 Future에 대한 참조를 가진
    쪽에서 .cancel() 메소드를 부름으로써 발생
    Cancellation
    async def do():
    print("step 1")
    await asyncio.sleep(1)
    print("step 2")
    await asyncio.sleep(1)
    print("step 3")
    async def not_cancellable():
    for i in range(1000000):
    do_some_calc(i)
    이런 작업을 cancel 가능하게 만들고 싶으면
    중간중간 await asyncio.sleep(0)을
    끼워줘야 한다.

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  6. § asyncio에서 비동기 작업의 "취소" 방법
    · 다른 작업을 취소하려면 : future 또는 task 객체의 .cancel() 메소드 호출
    – 참고) await를 붙일 수 있는 것은 모두 future 아니면 task이다.
    – future는 즉시 취소 및 완료 상태가 되지만, task는 clean up 작업을 위해
    추가로 비동기 작업을 더 해야 할 수 있으므로, await를 항상 한번 더
    걸어주어야 한다.
    · 스스로를 취소하려면 : raise asyncio.CancelledError
    – Q. asyncio.current_task().cancel() 과의 차이점?!
    Cancellation in Action

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  7. 1: Swallowed cancellation
    try:
    ...
    except Exception:
    ...
    try:
    ...
    except:
    ...
    Considered
    Harmful!
    A good
    practice
    try:
    ...
    except asyncio.CancelledError:
    ...
    raise
    except Exception:
    ...
    A must
    practice

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  8. § https://bugs.python.org/issue32528
    § Python의 예외 클래스 계층
    · BaseException
    – KeyboardInterrupt, SystemExit, GeneratorExit
    – Exception
    – RuntimeError, ValueError, TypeError, IOError, ...
    – 다른 라이브러리에서 정의한 모든 사용자 정의 예외
    § CancelledError re-raise 안 해도 되는 경우 : 자신이 Task의 최상위 Coroutine이면서,
    명시적으로 resource clean up을 하고자 할 때 (=라이브러리 만드는 중이면 항상 할 것)
    1: Swallowed cancellation
    from Python 3.8!
    + asyncio.CancelledError

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  9. Proper cancellation
    async def coro():
    try:
    print('working')
    await asyncio.sleep(1)
    print('done')
    except asyncio.CancelledError:
    print('cancelled')
    raise # bubble up!
    finally:
    await asyncio.sleep(1)
    print('cleaned up')
    import asyncio
    async def main():
    t = asyncio.create_task(coro())
    try:
    await asyncio.wait_for(t, timeout=0.5)
    except asyncio.TimeoutError:
    print('timeout detected')
    import asyncio
    async def main():
    t = asyncio.create_task(coro())
    await asyncio.sleep(0.5)
    t.cancel()
    try:
    await t
    except asyncio.CancelledError:
    print('cancellation detected')
    working
    cancelled
    cleaned up
    cancellation detected
    working
    cancelled
    cleaned up
    timeout detected
    걸린 시간 : 1.5초

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  10. § Korea Community Day (KCD) 2019
    2: Not cancellable library
    (실시간 디버깅 중...)

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  11. § 증상 : 몇 분 정도 실습 진행하면 계속 서버가 죽음 (무한 서버 재시작)
    § 원인 : aiopg transaction block의 cancel 처리 버그 + 잦은 browser refresh
    · aiopg.sa.exc.InvalidRequestError:
    Cannot release a connection with not finished transaction
    · 이 오류 자체로 서버가 죽는 것이 아니라, 그 오류가 누적되면서 회수되지 않은
    connection으로 인해 DB connection pool을 전부 소모해서 장애 발생
    § (임시) 해결책 : aiopg transaction을 모두 asyncio.shield로 감쌈
    · https://github.com/lablup/backend.ai-manager/issues/140
    2: Not cancellable library

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  12. § await로 부를 수 있는 coroutine을 shield로
    감싸면
    · await를 실행하는 task (outer)를
    취소하더라도
    · 감싸진 coroutine (do)은 취소되지 않음
    § 주의 사항
    · 해당 coroutine은 "orphan" 상태가 되므로
    내부의 예외처리를 잘 해주어야 함
    · 이벤트 루프가 계속 돌고있어야 그 coroutine이
    끝까지 실행을 완료할 수 있음
    Shielding from cancellation
    async def do():
    ...
    async def outer():
    try:
    await asyncio.shield(do())
    except asyncio.CancelledError:
    raise
    async def main():
    t = asyncio.create_task(outer())
    await asyncio.sleep(0) # let outer proceed
    t.cancel()
    ...

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  13. aiojobs
    async def coro(timeout):
    await asyncio.sleep(timeout)
    async def main():
    scheduler = await aiojobs.create_scheduler()
    for i in range(100):
    # spawn jobs
    await scheduler.spawn(coro(i / 10))
    await asyncio.sleep(5.0)
    # not all scheduled jobs are finished at the moment
    # wait completion of started jobs & cancel not started jobs
    await scheduler.close()

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  14. aiojobs + aiohttp
    from aiohttp import web
    from aiojobs.aiohttp import setup, spawn
    import aiojobs
    async def handler(request):
    await spawn(request, coro())
    return web.Response()
    app = web.Application()
    app.router.add_get('/', handler)
    setup(app)
    from aiojobs.aiohttp import atomic
    @atomic
    async def handler(request):
    return web.Response()
    aiojobs: 일단 request handler가 실행되면,
    그 handler의 실행은 끝까지 하도록 보장
    (process shutdown 시에도 진행 중이던
    handler들이 모두 끝나도록 일정 시간 기다림)
    coro() 내부 코드는 외부로부터의 cancel을
    걱정할 필요가 없어지지만...
    • 장시간 돌아가는 websocket/streaming?
    • response 객체가 갑자기 "정상동작"하지
    않는다면?
    aiohttp는 handler 처리 도중이라도 연결이
    끊기거나 하면 handler task를 바로 cancel!

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  15. § 네트워크 처리 루프를 cancel하였을 때 종료 처리를 위해 사용 중이던 네트워크
    연결을 재사용할 수 없는 경우가 있음
    · 예) aioredis를 이용해 Redis 서버의 blocking call을 await하는 상태에서
    해당 coroutine을 cancel한 후, 종료 처리 과정에서 Redis 서버를 접근하고자
    할 땐 기존 connection을 사용할 수 없고 새 connection을 만들어야 함
    · 이런 현상이 발생하는 이유 : aioredis 내부 구현이 cancel이 발생했을 때
    protocol 상태를 원래 상태로 되돌리지 못함 (버그라기보다는 Redis 프로토콜 상
    단일 connection에서 blocking call 취소가 불가능. 다중 connection인 경우
    "CLIENT UNBLOCK" 명령을 사용할 수 있으나 aioredis에서 아직 미지원)
    3: Not cancellable library

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  16. § Redis pub/sub 권장 구현
    · "SUB" 명령은 해당 커넥션을 더 이상 다른 용도로 못 쓰게 함
    (cancel 처리를 통해 "UNSUBSCRIBE"하는 것이 불가능함)
    · Redis connection pool을 두고 aiohttp request handler에서 매번 SUB
    명령을 실행하는 커넥션을 만들면 connection pool이 금방 소진될 수 있음!
    Match Lifetime of Coro & App

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  17. 4: partial functioncoroutine
    >>> import functools, inspect
    >>> async def do(x): await asyncio.sleep(x)
    ...
    >>> inspect.iscoroutinefunction(do)
    True
    >>> do2 = functools.partial(do, x=1)
    >>> inspect.iscoroutinefunction(do2)
    False
    >>> import aiotools
    >>> do2 = aiotools.apartial(do, x=1)
    >>> inspect.iscoroutinefunction(do2)
    True
    async def dispatch_callbacks():
    for cb in registered_callbacks:
    if inspect.iscoroutinefunction(cb):
    await cb()
    else:
    cb()
    Common pattern: Pitfall:
    ?!?!
    Solution:
    RuntimeWarning:
    coroutine 'cb' was never awaited
    그냥 warning으로 끝나는 게 아니라
    불려야 할 코드가 안 불려서 심각한 버그로
    이어짐...

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  18. § 무엇이 빠졌기에 asyncio를 쓰면서 이런 어려움들이 발생했는가?
    · 구조적 프로그래밍
    · type 검사 / type 보존
    What's missing?
    sequential goto condition loop function
    ··· ··· ··· ···
    왜 goto가 나쁘다고 할까?
    Abstraction을 깨기 때문! 이 구조들의 공통점은
    항상 원래 맥락으로 되돌아옴이 강제·보장된다는 것
    Diagrams from https://vorpus.org/blog/notes-on-structured-concurrency-
    or-go-statement-considered-harmful/

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  19. § Fire-and-forget 패턴 - 취소를 포함한 예외 처리 주체가 불명확해짐
    · 예) Go 언어의 go 구문, Python asyncio의 create_task()
    · 그 안에서 예외가 발생하면 누가 잡는가? (loop.set_exception_handler?)
    Structured Concurrency
    fire-and-forget structured-concurrency
    ···
    ···
    ···
    구조적 프로그래밍
    관점에서 보면
    goto와 동일

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  20. Happy Eyeballs (RFC 8305)
    failure
    cancelled cancelled
    success
    time
    connection
    to addr1
    connection
    to addr2
    connection
    to addr3
    connection
    to addr4
    250 msec
    (or TCP SYN
    retransmit delay)

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  21. § aiojobs의 단점
    · 여전히 개별 task 내에서 발생하는 예외나 timeout에 대해서는 물음표 상태
    · task들이 만들어낸 nested task들에 대한 일괄 취소 불가
    § curio (by David Beazley)
    · 일괄 취소가 가능한 TaskGroup API를 처음 제안
    § trio (by Nathaniel J. Smith)
    · 맥락 분기는 항상 nursery (=TaskGroup) 통해서만 하도록 강제
    · MultiError를 통해 다중 작업의 예외를 모두 보존하여 한번에 받을 수 있음
    trio & curio

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  22. § trio : cancellation scope (ref: https://www.youtube.com/watch?v=oLkfnc_UMcE)
    · trio.move_on_after() + nursery.cancel_scope.cancel()
    · trio.open_tcp_stream()의 DNS resolve 용도로 사용
    · Twisted로 수백줄 필요한 구현을 단 40줄 정도로 구현
    § asyncio : "staggered race"
    – Python 3.8의 문서화되지 않은 내부 API로
    asyncio.staggered.staggered_race() 함수 제공
    – loop.create_connection()의 DNS resolve 용도로 사용
    – trio 없이 asyncio로 구현 원하는 경우 참고할 만한 구현체
    Async Happy Eyeballs

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  23. § await asyncio.gather(*aws, return_exceptions=False)
    -> List[Result | Exception]
    § await asyncio.shield(aw) -> Result
    § await asyncio.wait_for(aw, timeout) -> Result
    § await asyncio.wait(aws, *, timeout=None, return_when=ALL_COMPLETED)
    -> Set[Task | Future], Set[Task | Future]
    · FIRST_COMPLETED / FIRST_EXCEPTION
    § asyncio.as_completed(aws, timeout=None) -> Iterable[Future]
    § asyncio.{Lock, Event, Condition, Semaphore, BoundedSemaphore}
    Structured Concurrency in asyncio
    Happy Eyeballs를 이걸로 구현하지 않은 이유 :
    1) 각 task 시작 시간을 원하는 간격으로 설정할 수 없고
    2) task 실패 시 다음 task를 동적으로 추가할 수 없기 때문

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  24. § curio와 trio는 3rd-party event loop 구현이므로 현재 Python 표준
    라이브러리인 asyncio 기반 생태계와는 호환되지 않음
    § 당연히, asyncio 생태계에도 nursery 추상화를 도입하고자 하는 움직임이 있음
    · aionursery
    · TaskGroups
    "nursery" in asyncio

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  25. § ...망했습니다.
    · 이유는 모든 coroutine에
    자동으로 붙는 "hook"을 만들
    수가 없어서!
    · 그리고 모든 low-level
    coroutine (socket,
    subprocess, ...)이
    명시적으로 cancel 처리를
    지원해야 함
    aionursery
    https://www.reddit.com/r/Python/comments/bgnvfo/
    do_people_actually_hate_asyncio_or_is_it_just_a/

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  26. § Python 3.8에 넣을 예정이었던 API
    · loop.create_supervisor()
    · TaskGroups API
    · asyncio.shield() as context
    manager
    § 개발 지연으로 바로 표준라이브러리에
    반영되지는 못한 상태
    TaskGroups
    https://twitter.com/1st1/status/1028032168327565312

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  27. § CancelledError BaseException
    § New unified "Stream" interface
    (StreamReader, StreamWriter now deprecated)
    · write() & await write_drain() is now just await write()
    § UDP implemented for ProactorEventLoop,
    ProactorEventLoop is now default on Windows.
    § Happy Eyeballs is implemented for loop.create_connection()
    Python 3.8

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  28. § 모든 것에 시작이 있으면 끝도 있다.
    § Coroutine을 어떻게 잘 종료 또는 중단할 것인가?
    § Structured Concurrency
    · asyncio가 처음 만들어질 때는 생각하지 못했던 문제들
    · 아마도 Python 3.9 ~ 3.10 정도 되면 잘 지원될 것으로 예상
    Summary

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  29. § https://github.com/lablup/backend.ai
    § https://github.com/achimnol/aiotools
    § https://github.com/aio-libs/aiojobs
    § https://github.com/dabeaz/curio
    § https://github.com/python-trio/trio
    § https://asvetlov.github.io/ua-pycon-2018/#/
    § https://vorpus.org/blog/timeouts-and-cancellation-for-humans/
    § https://vorpus.org/blog/notes-on-structured-concurrency-or-go-statement-considered-harmful/
    § https://vorpus.org/blog/some-thoughts-on-asynchronous-api-design-in-a-post-asyncawait-world/
    § https://www.reddit.com/r/Python/comments/bgnvfo/do_people_actually_hate_asyncio_or_is_it_just_a/elmtmyo/
    § https://www.youtube.com/watch?v=oLkfnc_UMcE
    § https://www.youtube.com/watch?v=ReXxO_azV-w
    § https://tools.ietf.org/html/rfc8305
    § Icons made by Smahicons, Freepik from www.flaticon.com
    References

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