Частина IX. Async і Real-Time

HTTP polling для чату — це 100 запитів/сек на 100 клієнтів. WebSocket дає одне довготривале з'єднання. Django Channels реалізує WebSocket поверх ASGI, Redis — broadcast між процесами.

Передумови: Частини II, III, VIII. Рівень: Advanced.

---

Концептуальний місток: asyncio → ASGI → Channels

Три концепти утворюють єдиний стек. Кожен відповідає на конкретне питання:

asyncio          — Як тримати тисячі з'єднань без тисячі потоків?
    ↓               один event loop; await замість блокування
ASGI             — Як Django отримує async-запити від сервера?
    ↓               async-інтерфейс між Daphne/Uvicorn і Django; замінює WSGI
Django Channels  — Як Django route-ує WebSocket поряд з HTTP?
    ↓               ProtocolTypeRouter → "http" → views, "websocket" → Consumer
Redis            — Як Worker 1 надсилає повідомлення клієнтам Worker 2?
                    channel layer: pub/sub між процесами

Залежності між рівнями:

Без чого	Що неможливо
asyncio	ASGI неможливий — немає event loop для async I/O
ASGI	Channels не підключити до Django — немає async entry point
Channels	Немає WebSocket routing і Consumer API
Redis	WebSocket повідомлення не дійдуть до клієнтів іншого worker-процесу

WSGI vs ASGI — чому потрібен перехід:

# WSGI — синхронний: один запит = один потік, потік блокується до відповіді
def application(environ, start_response):
    data = requests.get(url)   # блокує потік — ніхто інший не може його використати
    ...

# ASGI — асинхронний: один потік = тисячі корутин, await звільняє потік
async def application(scope, receive, send):
    data = await httpx.get(url)   # потік вільний — обробляє інші з'єднання
    ...

Django Channels — це Django-реалізація ASGI, яка додає WebSocket Consumer API поверх стандарту. ProtocolTypeRouter — це перша точка маршрутизації: HTTP іде до Django views, WebSocket — до Consumer.

---

Розділи

Документ	Що вивчимо
Sync vs Async	блокуючий vs неблокуючий I/O, GIL, thread pool, event loop
asyncio	coroutine, await, Task, gather, asyncio.run()
asyncio: Event Loop	архітектура event loop, callbacks, futures, libuv
ASGI	ASGI spec, ProtocolTypeRouter, lifecycle, scope
Django Async Views	async def view(), обмеження, коли варто
Async ORM	aadd, acreate, afilter, aget, відмінності від sync
sync_to_async	database_sync_to_async, sync_to_async, thread safety
Async HTTP Clients	httpx, aiohttp, connection pooling
Benchmarking	порівняння sync vs async, locust, результати
Async Use Cases	коли async виправданий, антипатерни
WebSocket та Channels	Django Channels, AsyncWebsocketConsumer, channel layer, Redis

---

Ключові концепти

Coroutine і await:

import asyncio

async def fetch_data():
    await asyncio.sleep(1)   # не блокує event loop
    return "data"

async def main():
    result = await fetch_data()
    print(result)

asyncio.run(main())

ASGI entrypoint:

# notes_project/asgi.py
# ПОРЯДОК ІМПОРТІВ КРИТИЧНИЙ!
import django
os.environ.setdefault('DJANGO_SETTINGS_MODULE', 'notes_project.settings')
django_asgi_app = get_asgi_application()  # ← ПЕРЕД будь-яким notes_app імпортом

from notes_app.consumers import GroupChatConsumer  # ← ПІСЛЯ

application = ProtocolTypeRouter({
    "http":      django_asgi_app,
    "websocket": AuthMiddlewareStack(
        URLRouter([re_path(r"^ws/groups/(?P<group_pk>\d+)/chat/$", GroupChatConsumer.as_asgi())])
    ),
})

GroupChatConsumer — lifecycle:

class GroupChatConsumer(AsyncWebsocketConsumer):
    async def connect(self):
        user     = self.scope['user']
        group_pk = self.scope['url_route']['kwargs']['group_pk']

        if not user.is_authenticated:
            await self.close(); return

        is_member = await database_sync_to_async(self.check_membership)(group_pk, user)
        if not is_member:
            await self.close(); return

        self.room_group_name = f"chat_{group_pk}"
        await self.channel_layer.group_add(self.room_group_name, self.channel_name)
        await self.accept()

        # надіслати 50 останніх повідомлень
        history = await database_sync_to_async(self.load_history)(group_pk)
        for msg in reversed(history):
            await self.send(text_data=json.dumps({'type': 'history', **msg}))

    async def disconnect(self, close_code):
        await self.channel_layer.group_discard(self.room_group_name, self.channel_name)

    async def receive(self, text_data):
        data    = json.loads(text_data)
        content = data.get('message', '').strip()
        if not content:
            return
        user = self.scope['user']
        await database_sync_to_async(self.save_message)(
            int(self.scope['url_route']['kwargs']['group_pk']), user, content
        )
        await self.channel_layer.group_send(
            self.room_group_name,
            {'type': 'chat_message', 'content': content, 'author': user.username}
        )

    async def chat_message(self, event):
        await self.send(text_data=json.dumps({'type': 'chat_message', **event}))

database_sync_to_async + матеріалізація:

# ✅ ПРАВИЛЬНО: list() матеріалізує QuerySet у worker thread, до повернення
def load_history(self, group_pk):
    return list(
        ChatMessage.objects.filter(group_id=group_pk)
        .select_related('author')
        .order_by('-created_at')[:50]
        .values('content', 'author__username', 'created_at')
    )

# ❌ НЕПРАВИЛЬНО: повертає lazy QuerySet → SynchronousOnlyOperation
def load_history_bad(self, group_pk):
    return ChatMessage.objects.filter(group_id=group_pk)  # lazy!

Redis channel layer:

# settings.py
CHANNEL_LAYERS = {
    "default": {
        "BACKEND": "channels_redis.core.RedisChannelLayer",
        "CONFIG": {
            "hosts": [REDIS_URL],
            "socket_timeout": None,    # ← None = без таймауту для idle WS
        },
    }
}

socket_timeout=None критично: без нього Redis з'єднання закривається при idle → TimeoutError при наступному повідомленні.

Polling vs WebSocket:

HTTP Polling (setInterval 1s):
  100 клієнтів × 1 req/s = 100 HTTP запитів/сек
  Кожен запит: TCP handshake + HTTP headers + відповідь
  Затримка: до 1000ms

WebSocket:
  100 клієнтів = 100 відкритих з'єднань (persistent)
  Повідомлення: < 50ms
  Навантаження: тільки при реальних подіях

---

Де це у Notes Chat App

Файл	Що показує
notes_project/asgi.py	ProtocolTypeRouter, import order
notes_project/routing.py	re_path(r"^ws/groups/.../chat/$", ...)
notes_app/consumers.py	GroupChatConsumer — connect, disconnect, receive, chat_message
notes_app/static/.../group_chat.js	JS-клієнт: new WebSocket(), onmessage, send()
notes_app/tests/test_consumers.py	WebsocketCommunicator, TransactionTestCase
notes_project/settings.py	CHANNEL_LAYERS з socket_timeout: None

---

Педагогічний зв'язок

Частина IX: ASGI / Channels
  ← Частина II: WSGI vs ASGI (async entrypoint)
  ← Частина III: ORM (database_sync_to_async wrapping)
  ← Частина VII: Auth (scope['user'], check_membership)
  ← Частина VIII: TransactionTestCase (consumer tests)

Zero to Hero: Крок 7 — WebSocket chat: Channels, Redis, GroupChatConsumer, consumer tests.

Lab: Async Lab — написати простий consumer, тест, channel layer broadcast.

---

Підводні камені

Ситуація	Помилка	Рішення
get_asgi_application() після from notes_app...	AppRegistryNotReady	перенести get_asgi_application() ПЕРЕД будь-яким notes_app імпортом
Lazy QuerySet у database_sync_to_async	SynchronousOnlyOperation	list() у sync helper перед поверненням
socket_timeout не None	TimeoutError на idle WS	"socket_timeout": None у CHANNEL_LAYERS CONFIG
TestCase для consumer tests	setUp-об'єкти зникають	TransactionTestCase

---

Контрольні питання

• Що таке coroutine? Яка різниця між async def і def?
• Що таке event loop? Скільки event loop'ів може бути у процесі?
• Навіщо database_sync_to_async? Що трапиться без нього?
• Чому list() всередині sync helper критичний при поверненні у async-контекст?
• Що таке channel layer? Навіщо Redis якщо є in-memory layer?
• Чому socket_timeout=None важливий для idle WebSocket з'єднань?
• Коли варто використовувати async views, а коли sync views у Django?

---

Далі → Частина X. Linux, DevOps і Deployment — як запустити в production.