FastAPI 多线程的使用：提升代码运行性能

在现代网络应用中，高性能和快速响应是至关重要的，Python 的 FastAPI 框架以其出色的性能和简单易用的特点，成为了许多开发者的首选。然而，在某些场景下，单线程运行可能无法满足需求，这时候就需要考虑使用多线程来提高应用的并发性能。本文将介绍 FastAPI 框架中多线程的使用方法，包括常见需求场景、问题解决方法以及实践案例。

常见需求场景

FastAPI多线程的使用在以下场景中特别有用：

IO 密集型任务：当应用需要频繁进行文件读写、网络请求、数据库查询等耗时的 IO 操作时，使用多线程可以充分利用系统资源，提高响应速度。
并发处理：对于需要同时处理多个请求的场景，多线程可以实现并发处理，减少用户等待时间。
异步任务：在处理异步任务时，多线程可以使代码更加简洁高效。

常遇到的问题

在使用多线程时，需要注意以下常见问题：

线程安全问题：多线程共享资源时，可能会发生数据竞争等线程安全问题，需要通过锁或其他同步机制来避免。
GIL(Global Interpreter Lock)：Python 的 GIL 限制了同一进程中只有一个线程能够执行 Python 字节码，这意味着多线程并不能在多核处理器上实现真正的并行执行。对于 CPU 密集型任务，多线程并不是最佳选择。

使用多线程的方式

1.在路径操作函数中创建线程

可以直接在路径操作函数中使用 threading 模块创建线程。

import threading 

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/resource")
def get_resource():
    t = threading.Thread(target=do_work) 
    t.start()
    return {"message": "Thread started"}

def do_work():
    # do computationally intensive work here

2.使用背景任务

FastAPI 提供了 @app.on_event("startup") 装饰器,可以在启动时创建后台任务。

from fastapi import FastAPI, BackgroundTasks

app = FastAPI()

@app.on_event("startup")
def startup_event():
    threading.Thread(target=do_work, daemon=True).start() 

def do_work():
    while True:
       # do background work

3.使用第三方后台任务库

可以使用第三方库如 apscheduler 来定期执行后台任务。

from apscheduler.schedulers.background import BackgroundScheduler
from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()
scheduler = BackgroundScheduler()

@app.on_event("startup")  
def start_background_processes():
    scheduler.add_job(do_work, "interval", seconds=5)
    scheduler.start()

def do_work():
    # do periodic work

实践案例

安装所需工具

首先，确保已经安装了 Python 和 pip。然后，通过以下命令安装 FastAPI 和 uvicorn：

pip install fastapi

pip install uvicorn

编写多线程应用

我们来创建一个简单的 FastAPI 应用：

from fastapi import FastAPI
import threading
import time

app = FastAPI()

# 耗时的任务函数
def long_running_task(task_id: int):
    print(f"Starting Task {task_id}")
    time.sleep(5)  # 模拟任务执行耗时
    print(f"Finished Task {task_id}")

# 后台任务函数
def run_background_task(task_id: int):
    thread = threading.Thread(target=long_running_task, args=(task_id,))
    thread.start()

@app.get("/")
async def read_root():
    return {"Hello": "World"}

@app.get("/task/{task_id}")
async def run_task_in_background(task_id: int):
    # 创建并启动后台线程来运行任务
    run_background_task(task_id)
    return {"message": f"Task {task_id} is running in the background."}

if __name__ == "__main__":
    import uvicorn

    uvicorn.run(app, host="127.0.0.1", port=8000)

在这个示例中，我们使用 threading.Thread 类来创建一个后台线程来运行耗时的任务。run_background_task 函数中，我们创建了一个线程对象 thread，并将 long_running_task 函数作为线程的 target，并传递 task_id 作为参数。然后，我们调用 thread.start() 来启动新的线程，并在后台运行 long_running_task。

运行应用

使用以下命令运行 FastAPI 应用：

uvicorn main:app --reload

然后，通过浏览器或工具如 curl 来测试应用。例如，打开浏览器，输入 http://localhost:8000/task/1 并按回车键。你将会立即收到响应 {"message": "Task 1 is running in the background."}，并且在后台运行的任务将在5秒后打印出 "Finished Task 1"。期间，你可以继续发送其他任务请求。