FastAPI已成為構(gòu)建Python API的最流行框架之一，因其速度和易用性而廣受歡迎。但在構(gòu)建高性能應(yīng)用程序時(shí)，有一個(gè)重要問(wèn)題需要回答：應(yīng)該使用同步（sync）還是異步（async）代碼執(zhí)行？

在本文中，我們將通過(guò)現(xiàn)實(shí)世界的性能測(cè)試，對(duì)同步和異步的FastAPI實(shí)現(xiàn)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并深入分析相關(guān)數(shù)據(jù)，以幫助開發(fā)者決定何時(shí)使用這兩種方法。

一、同步與異步在FastAPI中的區(qū)別是什么？

• 同步代碼（sync）：在同步執(zhí)行中，任務(wù)一個(gè)接一個(gè)地處理。每個(gè)請(qǐng)求都需要等待前一個(gè)請(qǐng)求完成，這在用戶數(shù)量較多或存在慢I/O操作（如數(shù)據(jù)庫(kù)查詢或文件上傳）時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致瓶頸。
• 異步代碼（async）：異步執(zhí)行支持多個(gè)請(qǐng)求并發(fā)處理。應(yīng)用程序無(wú)需等待I/O操作（如數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用）完成，而是可以繼續(xù)處理其他請(qǐng)求，從而在高并發(fā)環(huán)境中更有效率。

那么，這兩者在性能上的真實(shí)差異是什么呢？讓我們來(lái)看看。

二、設(shè)置：在FastAPI中基準(zhǔn)測(cè)試同步與異步

為了比較同步和異步實(shí)現(xiàn)，在這里創(chuàng)建了兩個(gè)版本的FastAPI應(yīng)用程序。

1. 同步版本：使用傳統(tǒng)的阻塞數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，采用psycopg2。
2. 異步版本：使用非阻塞的異步查詢，采用asyncpg。

這兩個(gè)版本都執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)：從PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)查詢用戶。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含極少的數(shù)據(jù)，以便隔離同步/異步機(jī)制的影響。

技術(shù)棧：

• 使用FastAPI作為API框架。
• 使用SQLAlchemy作為ORM。
• 使用psycopg2或psycopg2-binary（同步）和asyncpg（異步）進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接。
• 使用PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了測(cè)試性能，使用**Apache Benchmark(ab)**模擬了1000個(gè)請(qǐng)求，具有100個(gè)并發(fā)連接。

2.1 同步版本代碼 ??

在同步版本中，在這里使用psycopg2驅(qū)動(dòng)與SQLAlchemy，后者可執(zhí)行阻塞查詢。表格是使用同步的SQLAlchemy引擎創(chuàng)建的。

同步：main.py

from fastapi import FastAPI, Depends, HTTPException
from sqlalchemy.orm import Session
from .database import get_db, User

app = FastAPI()

@app.get("/users/{user_id}")
def get_user(user_id: int, db: Session = Depends(get_db)):
    # 同步和阻塞
    user = db.query(User).filter(User.c.id == user_id).first()
    if not user:
        raise HTTPException(status_code=404, detail="User not found")
    return {"id": user.id, "name": user.name, "email": user.email}

同步：database.py

from sqlalchemy import create_engine, MetaData, Table, Column, Integer, String
from sqlalchemy.orm import sessionmaker

DATABASE_URL = "postgresql://user:password@localhost/db_name"

# 創(chuàng)建同步的SQLAlchemy引擎
engine = create_engine(DATABASE_URL, echo=True)

# 創(chuàng)建用于同步查詢的會(huì)話生成器
SessionLocal = sessionmaker(bind=engine, autoflush=False, autocommit=False)

# 定義元數(shù)據(jù)
metadata = MetaData()

# 定義User表
User = Table(
    "users", metadata,
    Column("id", Integer, primary_key=True),
    Column("name", String),
    Column("email", String),
)

# 在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建表
metadata.create_all(engine)

# 獲取同步數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)話的依賴
def get_db():
    db = SessionLocal()
    try:
        yield db
    finally:
        db.close()

2.2 異步版本代碼 ??

在異步版本中，在這里使用asyncpg驅(qū)動(dòng)與SQLAlchemy，進(jìn)行非阻塞查詢。然而，表的創(chuàng)建仍然是同步進(jìn)行的，因?yàn)镾QLAlchemy的metadata.create_all()不支持異步。

異步：main.py

from contextlib import asynccontextmanager
from fastapi import FastAPI, Depends, HTTPException
from sqlalchemy.ext.asyncio import AsyncSession
from sqlalchemy import select
from .database import get_async_db, User, initialize_database


@asynccontextmanager
async def lifespan(app: FastAPI):
    # 啟動(dòng)：初始化數(shù)據(jù)庫(kù)
    await initialize_database()
    yield


app = FastAPI(lifespan=lifespan)


@app.get("/users/{user_id}")
async def get_user(user_id: int, db: AsyncSession = Depends(get_async_db)):
    result = await db.execute(select(User).where(User.c.id == user_id))
    user = result.fetchone()
    if not user:
        raise HTTPException(status_code=404, detail="User not found")
    return {"id": user.id, "name": user.name, "email": user.email}

異步：database.py

from sqlalchemy.ext.asyncio import AsyncSession, create_async_engine
from sqlalchemy.orm import sessionmaker
from sqlalchemy import MetaData, Table, Column, Integer, String

DATABASE_URL = "postgresql+asyncpg://user:password@localhost/db_name"

# 用于異步查詢的異步引擎
engine = create_async_engine(
    DATABASE_URL,
    echo=True,
    pool_size=10,
    max_overflow=20,
)

# 用于異步查詢的異步會(huì)話
AsyncSessionLocal = sessionmaker(
    bind=engine, class_=AsyncSession, expire_on_commit=False
)

# 定義元數(shù)據(jù)
metadata = MetaData()

# 定義User表
users = Table(
    "users",
    metadata,
    Column("id", Integer, primary_key=True),
    Column("name", String),
    Column("email", String),
)


# 創(chuàng)建所有表
async def init_db():
    async with engine.begin() as conn:
        await conn.run_sync(metadata.create_all)


# 獲取異步數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)話的依賴
async def get_async_db():
    async with AsyncSessionLocal() as session:
        yield session

# 啟動(dòng)：初始化數(shù)據(jù)庫(kù)
async def initialize_database():
    await init_db()

在這個(gè)版本中，請(qǐng)求是以異步方式處理的，支持多個(gè)請(qǐng)求在等待I/O時(shí)并發(fā)處理。

三、基準(zhǔn)測(cè)試命令

1. 同步版本：ab -n 1000 -c 100 http://127.0.0.1:8000/users/1
2. 異步版本：ab -n 1000 -c 100 http://127.0.0.1:8001/users/1

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果：同步vs異步

以下是基準(zhǔn)測(cè)試的性能指標(biāo)分析。

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果：同步vs異步（Airtable）

性能明細(xì)

1. 每秒請(qǐng)求數(shù)：

異步版本每秒可處理50.68個(gè)請(qǐng)求，而同步版本每秒只能處理36.89個(gè)請(qǐng)求。

在相同時(shí)間內(nèi)，異步處理的請(qǐng)求數(shù)比同步版本多37%，因此在并發(fā)性方面，異步顯然勝出。

2. 每個(gè)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間（平均值）：

異步版本的平均響應(yīng)時(shí)間低于同步版本27%（1973毫秒vs2710毫秒），這表明在高負(fù)載情況下，異步處理請(qǐng)求的效率更高。

3. 最長(zhǎng)請(qǐng)求時(shí)間：

兩個(gè)版本的最長(zhǎng)請(qǐng)求時(shí)間相似（約4000毫秒），但異步版本的表現(xiàn)更穩(wěn)定，這體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間的波動(dòng)較小。

圖表比較

圖表比較

以上是同步和異步版本在不同百分位數(shù)下的比較圖，包括平均和最長(zhǎng)請(qǐng)求時(shí)間。

• 實(shí)線表示不同百分位數(shù)下的響應(yīng)時(shí)間。
• 虛線表示同步（2710.648毫秒）和異步（1973.057毫秒）的平均響應(yīng)時(shí)間。
• 點(diǎn)線突出顯示同步（4167毫秒）和異步（3851毫秒）的最長(zhǎng)請(qǐng)求時(shí)間。

四、何時(shí)在FastAPI中使用同步與異步？

使用異步的情況：

• 應(yīng)用程序需要處理高流量和大量并發(fā)用戶。
• 應(yīng)用程序是與I/O綁定的，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)庫(kù)查詢或API調(diào)用。
• 需要為大量請(qǐng)求最小化響應(yīng)時(shí)間。

使用同步的情況：

• 應(yīng)用程序的并發(fā)量較小，或主要執(zhí)行CPU密集型任務(wù)。
• 希望保持代碼庫(kù)的簡(jiǎn)單性，避免異步處理的復(fù)雜性。
• 不希望應(yīng)用程序擴(kuò)展到同時(shí)處理數(shù)百或數(shù)千個(gè)請(qǐng)求。

五、優(yōu)化異步性能

雖然異步在這些測(cè)試中速度更快，但仍有一些方法可以進(jìn)一步優(yōu)化。

• 連接池：使用連接池重用數(shù)據(jù)庫(kù)連接，避免為每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)新連接。
• 使用異步庫(kù)：確保所有I/O綁定的任務(wù)（例如文件讀/寫、外部API調(diào)用）都以異步方式處理，以獲得最佳性能。
• 測(cè)試更高的并發(fā)性：進(jìn)行更高并發(fā)量的負(fù)載測(cè)試（例如，500+用戶），以充分發(fā)揮異步的優(yōu)勢(shì)。

engine = create_async_engine(
    DATABASE_URL,
    pool_size=10,
    max_overflow=20
)

六、結(jié)論

如果你的應(yīng)用程序需要處理大量并發(fā)用戶，并嚴(yán)重依賴于I/O綁定任務(wù)，那么異步FastAPI可以提供更好的性能、可擴(kuò)展性和響應(yīng)能力。不過(guò)，對(duì)于更簡(jiǎn)單的用例，可以選擇同步實(shí)現(xiàn)。