python3异步IO

1、异步程序可以在等待其最终结果的同时“暂停”并让其他程序同时运行。
2、通过上述机制，异步代码有助于并发执行。换句话说，异步代码表现出了并发的特点。

#!/usr/bin/env python3
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# countasync.py

import asyncio

async def count() :
    print("One") 
    await asyncio.sleep(1) 
    print("Two") 

async def main() :
    await asyncio.gather(count() , count() , count()) 

if __name__ == "__main__":
    import time
    s = time.perf_counter() 
    asyncio.run(main()) 
    elapsed = time.perf_counter()  - s
    print(f"{__file__} executed in {elapsed:0.2f} seconds.")

One
One
One
Two
Two
Two
e:\countasync.py executed in 1.01 seconds.

async def g() :
    # Pause here and come back to g()  when f()  is ready
    r = await f() 
    return r

这里的 await 挂起了本次协程的执行。如果 Python 在 g() 范围内遇到 await f() 表达式，那就意味着，“暂停 g() 的执行，直到我等待f() 返回结果。同时，让其他协程运行。”。当然也有一些规则要求什么地方可以使用 async/await 关键字，什么地方不能用：

• 使用 async def 定义的函数是一个协程，它内部可以使用 await，return，yield，也可以都不用。
• 使用 wait 或 return 创建一个coroutine函数。要调用 coroutine 函数，你必须使用 await 关键字。
• 很少情况下会在 async del 的代码块中使用 yield ，如果用了，会产生一个异步的生成器。
• 任何 async def 内都不能使用 yield from，会抛出语法错误。
• 就像不能在函数外面使用 yield 一样，也不能在 async def 外使用 await。会抛出语法错误。

下面是一些例子：

async def f(x) :
    y = await z(x)   # OK - `await` and `return` allowed in coroutines
    return y

async def g(x) :
    yield x  # OK - this is an async generator

async def m(x) :
    yield from gen(x)   # No - SyntaxError

def m(x) :
    y = await z(x)   # Still no - SyntaxError (no `async def` here) 
    return y

言归正传，让我们来看一个更复杂的例子：给定一个产生随机数的函数 makerandom，它产生一个 0-9 之间的随机数，直到超过给定数据后结束，让此协程的多个调用无需等待彼此即可执行，代码如下

import asyncio
import random
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# ANSI colors
c = (
    "\033[0m",   # End of color
    "\033[36m",  # Cyan
    "\033[91m",  # Red
    "\033[35m",  # Magenta
) 

async def makerandom(idx: int, threshold: int = 6)  -> int:
    print(c[idx + 1] + f"Initiated makerandom({idx}) .") 
    i = random.randint(0, 10) 
    while i <= threshold:
        print(c[idx + 1] + f"makerandom({idx})  == {i} too low; retrying.") 
        await asyncio.sleep(idx + 1) 
        i = random.randint(0, 10) 
    print(c[idx + 1] + f"---> Finished: makerandom({idx})  == {i}" + c[0]) 
    return i

async def main() :
    res = await asyncio.gather(*(makerandom(i, 10 - i - 1)  for i in range(3)) ) 
    return res

if __name__ == "__main__":
    random.seed(444) 
    r1, r2, r3 = asyncio.run(main()) 
    print() 
    print(f"r1: {r1}, r2: {r2}, r3: {r3}")

执行结果：

Initiated makerandom(0) .
makerandom(0)  == 4 too low; retrying.
Initiated makerandom(1) .
makerandom(1)  == 4 too low; retrying.
Initiated makerandom(2) .
makerandom(2)  == 0 too low; retrying.
makerandom(0)  == 4 too low; retrying.
makerandom(1)  == 7 too low; retrying.
makerandom(0)  == 4 too low; retrying.
makerandom(2)  == 4 too low; retrying.
makerandom(0)  == 8 too low; retrying.
---> Finished: makerandom(1)  == 10
makerandom(0)  == 7 too low; retrying.
makerandom(0)  == 8 too low; retrying.
makerandom(2)  == 4 too low; retrying.
makerandom(0)  == 7 too low; retrying.
makerandom(0)  == 1 too low; retrying.
makerandom(0)  == 6 too low; retrying.
---> Finished: makerandom(2)  == 9
makerandom(0)  == 3 too low; retrying.
makerandom(0)  == 9 too low; retrying.
makerandom(0)  == 7 too low; retrying.
---> Finished: makerandom(0)  == 10

r1: 10, r2: 10, r3: 9

该程序使用一个主协程 makerandom() ，并在 3 个不同的输入上同时运行它。大多数程序将包含小型模块化协程和一个包装器功能，用于将每个较小的协程链接在一起。main() 通过在一些可迭代或池中映射中央协程来收集任务。在此示例中，池为 range(3) 。尽管“制作随机整数”(比CPU绑定更多的东西) 可能不是 asyncio 的最佳选择，但在示例中正是 asyncio.sleep() 旨在模仿 IO 绑定的过程等待时间不确定的地方。例如，asyncio.sleep() 调用可以表示在消息应用程序的两个客户端之间发送和接收的延迟。

5、异步 IO 设计模式

异步 IO 的设计模式，分为以下两种：

链式协程

协程的一个关键特征是它们可以链接在一起。请记住，一个协程对象是可以 await 的，因此另一个协程可以等待它。利用这一点可以将程序分解为较小的，可管理的，可回收的协程：

#!/usr/bin/env python3
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# chained.py

import asyncio
import random
import time

async def part1(n: int)  -> str:
    i = random.randint(0, 10) 
    print(f"part1({n})  sleeping for {i} seconds.") 
    await asyncio.sleep(i) 
    result = f"result{n}-1"
    print(f"Returning part1({n})  == {result}.") 
    return result

async def part2(n: int, arg: str)  -> str:
    i = random.randint(0, 10) 
    print(f"part2{n, arg} sleeping for {i} seconds.") 
    await asyncio.sleep(i) 
    result = f"result{n}-2 derived from {arg}"
    print(f"Returning part2{n, arg} == {result}.") 
    return result

async def chain(n: int)  -> None:
    start = time.perf_counter() 
    p1 = await part1(n) 
    p2 = await part2(n, p1) 
    end = time.perf_counter()  - start
    print(f"-->Chained result{n} => {p2} (took {end:0.2f} seconds) .") 

async def main(*args) :
    await asyncio.gather(*(chain(n)  for n in args)) 

if __name__ == "__main__":
    import sys
    random.seed(444) 
    args = [1, 2, 3] if len(sys.argv)  == 1 else map(int, sys.argv[1:]) 
    start = time.perf_counter() 
    asyncio.run(main(*args)) 
    end = time.perf_counter()  - start
    print(f"Program finished in {end:0.2f} seconds.")

注意观察输出，part1() 睡眠一段时间，part2() 在结果可用时开始处理它们：

$ python3 chained.py 9 6 3
part1(9)  sleeping for 4 seconds.
part1(6)  sleeping for 4 seconds.
part1(3)  sleeping for 0 seconds.
Returning part1(3)  == result3-1.
part2(3, 'result3-1')  sleeping for 4 seconds.
Returning part1(9)  == result9-1.
part2(9, 'result9-1')  sleeping for 7 seconds.
Returning part1(6)  == result6-1.
part2(6, 'result6-1')  sleeping for 4 seconds.
Returning part2(3, 'result3-1')  == result3-2 derived from result3-1.
-->Chained result3 => result3-2 derived from result3-1 (took 4.00 seconds) .
Returning part2(6, 'result6-1')  == result6-2 derived from result6-1.
-->Chained result6 => result6-2 derived from result6-1 (took 8.01 seconds) .
Returning part2(9, 'result9-1')  == result9-2 derived from result9-1.
-->Chained result9 => result9-2 derived from result9-1 (took 11.01 seconds) .
Program finished in 11.01 seconds.

在以上代码中，main() 的运行时间将等于它收集在一起的协程任务的最大运行时间。

使用队列

asyncio.Queue 类在与标准库 queue 的功能相似。前述示例中，并不需要队列结构。在 chained.py 中，每个任务都由一组协程组成，这些协程明确地相互等待，并在每个链中传递单个输入。还有一种可以与异步 IO 一起使用的数据结构：许多彼此不相关的生产者将项目添加到队列中。每个生产者可以在交错、随机、未通知的时间将多个项目添加到队列中。一群消费者将它们从队列中拉出，而不必等待任何其他信号。在这种设计中，没有任何消费者链接到生产者。消费者不知道生产者的数量，甚至不知道将要添加到队列中的项目的累计数量。每个生产者或消费者花费可变的时间分别从队列中放入和提取项目。队列充当可以与生产者和消费者进行通信的桥梁，而无需他们直接相互交谈。下面是示例代码 asyncq.py。该工作流程中具有挑战性的部分是，需要向消费者发出生产已经完成的信号。否则，await q.get() 会无限期挂起，因为队列已被完全处理，但是消费者不会知道生产已经完成。main 函数中的 q.join，该操作将阻塞直到队列中的所有项目都已接收并处理，否则将挂断并无休止地等待其他队列项目出现。

#!/usr/bin/env python3
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# asyncq.py

import asyncio
import itertools as it
import os
import random
import time

async def makeitem(size: int = 5)  -> str:
    return os.urandom(size) .hex() 

async def randsleep(a: int = 1, b: int = 5, caller=None)  -> None:
    i = random.randint(0, 10) 
    if caller:
        print(f"{caller} sleeping for {i} seconds.") 
    await asyncio.sleep(i) 

async def produce(name: int, q: asyncio.Queue)  -> None:
    n = random.randint(0, 10) 
    for _ in it.repeat(None, n) :  # Synchronous loop for each single producer
        await randsleep(caller=f"Producer {name}") 
        i = await makeitem() 
        t = time.perf_counter() 
        await q.put((i, t)) 
        print(f"Producer {name} added <{i}> to queue.") 

async def consume(name: int, q: asyncio.Queue)  -> None:
    while True:
        await randsleep(caller=f"Consumer {name}") 
        i, t = await q.get() 
        now = time.perf_counter() 
        print(f"Consumer {name} got element <{i}>"
              f" in {now-t:0.5f} seconds.") 
        q.task_done() 

async def main(nprod: int, ncon: int) :
    q = asyncio.Queue() 
    producers = [asyncio.create_task(produce(n, q))  for n in range(nprod) ]
    consumers = [asyncio.create_task(consume(n, q))  for n in range(ncon) ]
    await asyncio.gather(*producers) 
    await q.join()   # Implicitly awaits consumers, too
    for c in consumers:
        c.cancel() 

if __name__ == "__main__":
    import argparse
    random.seed(444) 
    parser = argparse.ArgumentParser() 
    parser.add_argument("-p", "--nprod", type=int, default=5) 
    parser.add_argument("-c", "--ncon", type=int, default=10) 
    ns = parser.parse_args() 
    start = time.perf_counter() 
    asyncio.run(main(**ns.__dict__)) 
    elapsed = time.perf_counter()  - start
    print(f"Program completed in {elapsed:0.5f} seconds.")

第一个协程是辅助函数，它们返回一个随机字符串。生产者将 1 到 5 个项目放入队列中。每个项目都是(i，t) 的元组，其中 i 是随机字符串，t 是生产者尝试将元组放入队列的时间。消费者将商品拉出时，它仅使用放入商品的时间戳来计算商品在队列中的经过时间。请记住，asyncio.sleep() 用于模仿其他一些更复杂的协程，如果这是常规的阻止函数，则会消耗时间并阻止所有其他执行。这是由两个生产者和五个消费者进行的测试结果：

$ python3 asyncq.py -p 2 -c 5
Producer 0 sleeping for 3 seconds.
Producer 1 sleeping for 3 seconds.
Consumer 0 sleeping for 4 seconds.
Consumer 1 sleeping for 3 seconds.
Consumer 2 sleeping for 3 seconds.
Consumer 3 sleeping for 5 seconds.
Consumer 4 sleeping for 4 seconds.
Producer 0 added <377b1e8f82> to queue.
Producer 0 sleeping for 5 seconds.
Producer 1 added <413b8802f8> to queue.
Consumer 1 got element <377b1e8f82> in 0.00013 seconds.
Consumer 1 sleeping for 3 seconds.
Consumer 2 got element <413b8802f8> in 0.00009 seconds.
Consumer 2 sleeping for 4 seconds.
Producer 0 added <06c055b3ab> to queue.
Producer 0 sleeping for 1 seconds.
Consumer 0 got element <06c055b3ab> in 0.00021 seconds.
Consumer 0 sleeping for 4 seconds.
Producer 0 added <17a8613276> to queue.
Consumer 4 got element <17a8613276> in 0.00022 seconds.
Consumer 4 sleeping for 5 seconds.
Program completed in 9.00954 seconds.

在这种情况下，生产或消费的每一个处理过程将在几分之一秒内完成处理。延迟可能有两个原因：

1. 标准开销，在很大程度上是不可避免的开销
2. 队列中时所有消费者都在睡觉的情况

关于第二点原因，扩展到成百上千的消费者是完全正常的。python3 asyncq.py -p 5 -c 100 应该没有问题。从理论上讲，你可以在不同的系统上使用不同的用户来控制生产者和消费者的管理，而队列则作为中间桥梁。

6、一个完整的异步 http 请求

接下来将使用 aiohttp (一种非常快的异步 HTTP 客户端/服务器框架) 来构建可抓取网址的 URL 爬虫程序 areq.py。这样的工具可用于映射站点集群之间的连接，链接形成有向图。你可能想知道为什么 Python 的 requests 库与异步 IO 不兼容，原因是 requests 库建立在 urllib3 之上，而 urllib3 又使用 Python 的 http 和套接字模块， 默认情况下，套接字操作处于阻塞状态。这意味着 Python 不会使用 await request.get(url) ，因为 get() 无法等待。相反，aiohttp 中的几乎所有内容都是可等待的协程，例如 session.request() 和 response.text()。一个高级别的程序结构应该是这样的：

1. 从一个本地文件 urls.txt 中读取一系列 URLs。
2. 对 1 中的 URL 发送 GET 请求，并解码返回的结果，如果这一步失败，就停止对此 URL 操作。
3. 在 2 的结果中查找超链接，并将超链接信息保存在 foundurls.txt 中
4. 尽可能使用并发异步操作执行以上过程。使用 aiohttp 进行网络请求，aiofiles 操作文件。

url.txt 的内容如下：

$ cat urls.txt
https://regex101.com/
https://docs.python.org/3/this-url-will-404.html
https://www.nytimes.com/guides/
https://www.mediamatters.org/
https://1.1.1.1/
https://www.politico.com/tipsheets/morning-money
https://www.bloomberg.com/markets/economics
https://www.ietf.org/rfc/rfc2616.txt

列表中的第二个 URL 应该返回 404 响应，你需要对其进行适当处理。在实际使用中，可能需要处理比这更棘手的问题，例如服务器断开连接和无止尽的重定向。请求本身应使用单个会话发出，以充分利用会话的内部连接池。让我们看一下完整的程序：

#!/usr/bin/env python3
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# areq.py

"""Asynchronously get links embedded in multiple pages' HMTL."""

import asyncio
import logging
import re
import sys
from typing import IO
import urllib.error
import urllib.parse

import aiofiles
import aiohttp
from aiohttp import ClientSession

logging.basicConfig(
    format="%(asctime) s %(levelname) s:%(name) s: %(message) s",
    level=logging.DEBUG,
    datefmt="%H:%M:%S",
    stream=sys.stderr,
) 
logger = logging.getLogger("areq") 
logging.getLogger("chardet.charsetprober") .disabled = True

HREF_RE = re.compile(r'href="(.*?) "') 

async def fetch_html(url: str, session: ClientSession, **kwargs)  -> str:
    """GET request wrapper to fetch page HTML.

    kwargs are passed to `session.request() `.
    """

    resp = await session.request(method="GET", url=url, **kwargs) 
    resp.raise_for_status() 
    logger.info("Got response [%s] for URL: %s", resp.status, url) 
    html = await resp.text() 
    return html

async def parse(url: str, session: ClientSession, **kwargs)  -> set:
    """Find HREFs in the HTML of `url`."""
    found = set() 
    try:
        html = await fetch_html(url=url, session=session, **kwargs) 
    except (
        aiohttp.ClientError,
        aiohttp.http_exceptions.HttpProcessingError,
    )  as e:
        logger.error(
            "aiohttp exception for %s [%s]: %s",
            url,
            getattr(e, "status", None) ,
            getattr(e, "message", None) ,
        ) 
        return found
    except Exception as e:
        logger.exception(
            "Non-aiohttp exception occured:  %s", getattr(e, "__dict__", {}) 
        ) 
        return found
    else:
        for link in HREF_RE.findall(html) :
            try:
                abslink = urllib.parse.urljoin(url, link) 
            except (urllib.error.URLError, ValueError) :
                logger.exception("Error parsing URL: %s", link) 
                pass
            else:
                found.add(abslink) 
        logger.info("Found %d links for %s", len(found) , url) 
        return found

async def write_one(file: IO, url: str, **kwargs)  -> None:
    """Write the found HREFs from `url` to `file`."""
    res = await parse(url=url, **kwargs) 
    if not res:
        return None
    async with aiofiles.open(file, "a")  as f:
        for p in res:
            await f.write(f"{url}\t{p}\n") 
        logger.info("Wrote results for source URL: %s", url) 

async def bulk_crawl_and_write(file: IO, urls: set, **kwargs)  -> None:
    """Crawl & write concurrently to `file` for multiple `urls`."""
    async with ClientSession()  as session:
        tasks = []
        for url in urls:
            tasks.append(
                write_one(file=file, url=url, session=session, **kwargs) 
            ) 
        await asyncio.gather(*tasks) 

if __name__ == "__main__":
    import pathlib
    import sys

    assert sys.version_info >= (3, 7) , "Script requires Python 3.7+."
    here = pathlib.Path(__file__) .parent

    with open(here.joinpath("urls.txt"))  as infile:
        urls = set(map(str.strip, infile)) 

    outpath = here.joinpath("foundurls.txt") 
    with open(outpath, "w")  as outfile:
        outfile.write("source_url\tparsed_url\n") 

    asyncio.run(bulk_crawl_and_write(file=outpath, urls=urls))

如果你想了解更多内容，请在 https://github.com/realpython/materials/tree/master/asyncio-walkthrough 查看。这是所有执行过程的结果，areq.py 在一秒钟之内即可获取，解析并保存9个网址的结果：

$ python3 areq.py
21:33:22 DEBUG:asyncio: Using selector: KqueueSelector
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://www.mediamatters.org/
21:33:22 INFO:areq: Found 115 links for https://www.mediamatters.org/
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://www.nytimes.com/guides/
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://www.politico.com/tipsheets/morning-money
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://www.ietf.org/rfc/rfc2616.txt
21:33:22 ERROR:areq: aiohttp exception for https://docs.python.org/3/this-url-will-404.html [404]: Not Found
21:33:22 INFO:areq: Found 120 links for https://www.nytimes.com/guides/
21:33:22 INFO:areq: Found 143 links for https://www.politico.com/tipsheets/morning-money
21:33:22 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://www.mediamatters.org/
21:33:22 INFO:areq: Found 0 links for https://www.ietf.org/rfc/rfc2616.txt
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://1.1.1.1/
21:33:22 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://www.nytimes.com/guides/
21:33:22 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://www.politico.com/tipsheets/morning-money
21:33:22 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://www.bloomberg.com/markets/economics
21:33:22 INFO:areq: Found 3 links for https://www.bloomberg.com/markets/economics
21:33:22 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://www.bloomberg.com/markets/economics
21:33:23 INFO:areq: Found 36 links for https://1.1.1.1/
21:33:23 INFO:areq: Got response [200] for URL: https://regex101.com/
21:33:23 INFO:areq: Found 23 links for https://regex101.com/
21:33:23 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://regex101.com/
21:33:23 INFO:areq: Wrote results for source URL: https://1.1.1.1/

7、其他高级异步函数

除了 asyncio.run() 之外，你还看到了其他一些函数，例如 asyncio.create_task() 和 asyncio.gather() 。你可以使用 create_task() 安排协程对象的执行，然后使用 asyncio.run() ：

>>> import asyncio

>>> async def coro(seq) -> list:
...     """'IO' wait time is proportional to the max element."""
...     await asyncio.sleep(max(seq))
...     return list(reversed(seq))
...
>>> async def main():
...     # This is a bit redundant in the case of one task
...     # We could use `await coro([3, 2, 1])` on its own
...     t = asyncio.create_task(coro([3, 2, 1]))  # Python 3.7+
...     await t
...     print(f't: type {type(t)}')
...     print(f't done: {t.done()}')
...
>>> t = asyncio.run(main())
t: type <class '_asyncio.Task'>
t done: True

如果不在 main() 中使用 await ，它可能会在 main() 本身完成之前就结束了。因为 asyncio.run(main()) 调用 loop.run_until_complete(main()) ，所以事件循环仅关注 main() 完成，而不关注在 main() 中创建的任务是否完成。如果不等待，循环的其他任务可能会在完成之前被取消。如果需要获取当前待处理任务的列表，则可以使用 asyncio.Task.all_tasks() 。另外，还有 asyncio.gather() 。尽管它没有做任何特别的事情，但是 collect() 的目的是将协程的集合整齐地放在一个 future。结果，它返回一个 future 的对象，如果你等待 asyncio.gather() 并指定多个任务或协程，则你正在等待所有这些任务或协程完成。这与我们前面的示例有点类似 queue.join() ，collect() 的结果将是输入结果的列表：

>>> import time
>>> async def main():
...     t = asyncio.create_task(coro([3, 2, 1]))
...     t2 = asyncio.create_task(coro([10, 5, 0]))  # Python 3.7+
...     print('Start:', time.strftime('%X'))
...     a = await asyncio.gather(t, t2)
...     print('End:', time.strftime('%X'))  # Should be 10 seconds
...     print(f'Both tasks done: {all((t.done(), t2.done()))}')
...     return a
...
>>> a = asyncio.run(main())
Start: 16:20:11
End: 16:20:21
Both tasks done: True
>>> a
[[1, 2, 3], [0, 5, 10]]

你可能已经注意到，collect() 等待传递给它的 Future 或协程的整个结果集。你可以遍历 asyncio.as_completed() 以按完成顺序获取任务结果。该函数返回一个迭代器，该迭代器在完成任务时产生任务。下面，在coro([10，5，0]) 完成之前，可使用coro([3，2，1]) 的结果，而用 collect() 则不是这样：

>>> async def main():
...     t = asyncio.create_task(coro([3, 2, 1]))
...     t2 = asyncio.create_task(coro([10, 5, 0]))
...     print('Start:', time.strftime('%X'))
...     for res in asyncio.as_completed((t, t2)):
...         compl = await res
...         print(f'res: {compl} completed at {time.strftime("%X")}')
...     print('End:', time.strftime('%X'))
...     print(f'Both tasks done: {all((t.done(), t2.done()))}')
...
>>> a = asyncio.run(main())
Start: 09:49:07
res: [1, 2, 3] completed at 09:49:10
res: [0, 5, 10] completed at 09:49:17
End: 09:49:17
Both tasks done: True

8、异步无头浏览器 pyppeteer

pyppeteer 模块，它是无头浏览器 Puppeteer 的 Python 移植，API 跟 JavaScript 版本基本一致。下面是安装命令。

#!/usr/bin/env python3
#～～～～www.wulaoer.org 吴老二个人博客～～～～
# screenshot.py

import asyncio
from pyppeteer import launch

async def main():
    browser = await launch()
    page = await browser.newPage()
    await page.goto('http://example.com')
    await page.screenshot({'path': 'example.png'})
    await browser.close()

asyncio.run(main())

上面代码中，启动浏览器、打开新 Tab、访问网址、截图、关闭浏览器，这一系列操作都是异步任务，使用 await 命令写起来非常自然简单。执行这个脚本，当前目录下就会生成截图文件 example.png。如果脚本执行时报错 No usable sandbox!，可以参考这里。另外，第一次执行这个脚本，会下载安装 Puppeteer，可能需要等待较长时间，但是此后的执行就会很快。Pyppeteer 的官网还有其他实例，比如向网页注入 JavaScript 代码。