FastAPI性能對比：同步vs異步

作者：學研君 2024-10-09 11:31:51

開發前端

如果你的應用程序需要處理大量并發用戶，并嚴重依賴于I/O綁定任務，那么異步FastAPI可以提供更好的性能、可擴展性和響應能力。

FastAPI已成為構建Python API的最流行框架之一，因其速度和易用性而廣受歡迎。但在構建高性能應用程序時，有一個重要問題需要回答：應該使用同步（sync）還是異步（async）代碼執行？

在本文中，我們將通過現實世界的性能測試，對同步和異步的FastAPI實現進行基準測試，并深入分析相關數據，以幫助開發者決定何時使用這兩種方法。

一、同步與異步在FastAPI中的區別是什么？

同步代碼（sync）：在同步執行中，任務一個接一個地處理。每個請求都需要等待前一個請求完成，這在用戶數量較多或存在慢I/O操作（如數據庫查詢或文件上傳）時，可能會導致瓶頸。
異步代碼（async）：異步執行支持多個請求并發處理。應用程序無需等待I/O操作（如數據庫調用）完成，而是可以繼續處理其他請求，從而在高并發環境中更有效率。

那么，這兩者在性能上的真實差異是什么呢？讓我們來看看。

二、設置：在FastAPI中基準測試同步與異步

為了比較同步和異步實現，在這里創建了兩個版本的FastAPI應用程序。

同步版本：使用傳統的阻塞數據庫查詢，采用psycopg2。
異步版本：使用非阻塞的異步查詢，采用asyncpg。

這兩個版本都執行一個簡單的任務：從PostgreSQL數據庫查詢用戶。數據庫中包含極少的數據，以便隔離同步/異步機制的影響。

技術棧：

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）進行數據庫連接。
使用PostgreSQL作為數據庫。

為了測試性能，使用**Apache Benchmark(ab)**模擬了1000個請求，具有100個并發連接。

2.1 同步版本代碼 ??

在同步版本中，在這里使用psycopg2驅動與SQLAlchemy，后者可執行阻塞查詢。表格是使用同步的SQLAlchemy引擎創建的。

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"

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

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

# 定義元數據
metadata = MetaData()

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

# 在數據庫中創建表
metadata.create_all(engine)

# 獲取同步數據庫會話的依賴
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驅動與SQLAlchemy，進行非阻塞查詢。然而，表的創建仍然是同步進行的，因為SQLAlchemy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：初始化數據庫
    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話
AsyncSessionLocal = sessionmaker(
    bind=engine, class_=AsyncSession, expire_on_commit=False
)

# 定義元數據
metadata = MetaData()

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


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


# 獲取異步數據庫會話的依賴
async def get_async_db():
    async with AsyncSessionLocal() as session:
        yield session

# 啟動：初始化數據庫
async def initialize_database():
    await init_db()

在這個版本中，請求是以異步方式處理的，支持多個請求在等待I/O時并發處理。

三、基準測試命令

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

基準測試結果：同步vs異步

以下是基準測試的性能指標分析。

基準測試結果：同步vs異步（Airtable）

性能明細

每秒請求數：

異步版本每秒可處理50.68個請求，而同步版本每秒只能處理36.89個請求。

在相同時間內，異步處理的請求數比同步版本多37%，因此在并發性方面，異步顯然勝出。

每個請求的響應時間（平均值）：

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

最長請求時間：

兩個版本的最長請求時間相似（約4000毫秒），但異步版本的表現更穩定，這體現在響應時間的波動較小。

圖表比較

以上是同步和異步版本在不同百分位數下的比較圖，包括平均和最長請求時間。

實線表示不同百分位數下的響應時間。
虛線表示同步（2710.648毫秒）和異步（1973.057毫秒）的平均響應時間。
點線突出顯示同步（4167毫秒）和異步（3851毫秒）的最長請求時間。

四、何時在FastAPI中使用同步與異步？

使用異步的情況：

應用程序需要處理高流量和大量并發用戶。
應用程序是與I/O綁定的，需要進行大量數據庫查詢或API調用。
需要為大量請求最小化響應時間。

使用同步的情況：

應用程序的并發量較小，或主要執行CPU密集型任務。
希望保持代碼庫的簡單性，避免異步處理的復雜性。
不希望應用程序擴展到同時處理數百或數千個請求。

五、優化異步性能

雖然異步在這些測試中速度更快，但仍有一些方法可以進一步優化。

連接池：使用連接池重用數據庫連接，避免為每個請求創建一個新連接。
使用異步庫：確保所有I/O綁定的任務（例如文件讀/寫、外部API調用）都以異步方式處理，以獲得最佳性能。
測試更高的并發性：進行更高并發量的負載測試（例如，500+用戶），以充分發揮異步的優勢。

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

六、結論

如果你的應用程序需要處理大量并發用戶，并嚴重依賴于I/O綁定任務，那么異步FastAPI可以提供更好的性能、可擴展性和響應能力。不過，對于更簡單的用例，可以選擇同步實現。

責任編輯：武曉燕來源： Python學研大本營

FastAPI 同步異步

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