IO多路复用
一、IO模型介绍
1，主要的五种模型：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO（不常用）、异步IO
对于一个network IO，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process（Thread），另一个是系统内核。当一个read/recv读数据的操作发生时，该操作会经历两个阶段：
（1）等待数据准备
（2）将数据从内核拷贝到进程中
2，注意
#1、输入操作：read、readv、recv、recvfrom、recvmsg共5个函数，如果会阻塞状态，则会经理wait data和copy data两个阶段，如果设置为非阻塞则在wait 不到data时抛出异常 #2、输出操作：write、writev、send、sendto、sendmsg共5个函数，在发送缓冲区满了会阻塞在原地，如果设置为非阻塞，则会抛出异常 #3、接收外来链接：accept，与输入操作类似 #4、发起外出链接：connect，与输出操作类似
二、阻塞IO
当用户进程调用了recvfrom，然后系统调用，kernel就开始了IO的第一阶段：准备数据。对于network IO来说，很多时候数据在一开始还没到达，这个时候kernel就要等待数据到来，而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才接触block的状态，重新运行起来。
三、非阻塞IO
当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。当用户进程接收到一个error，就会知道数据还没准备，于是用户就可以做点其他的，过一段时间，再次发送read操作，一旦kernel的数据准备好了，他就会立马把数据拷贝到了用户内存，然后返回。
在这种非阻塞IO模式下，用户进程就不断的询问kernel的数据准备好了没，若没有，返回给 用户一个error，在两次询问期间，用户进程可以干点其他的，若数据准备好了，就直接拷贝，这个询问过程叫轮询。在拷贝数据整个过程，进程任仍然处于阻塞状态
’
socket服务端
import socket,time server=socket.socket() ip_port=('127.0.0.1',8888) server.bind(ip_port) server.listen() server.setblocking(False) while 1: try: conn,addr=server.accept() break except Exception: print('等待连接。。。。。') time.sleep(1) while 1: try: msg=conn.recv(1024) print(msg.decode('utf-8')) except Exception: print('等待接收消息。。。。') time.sleep(1)
socket客户端
import socket
client=socket.socket()
ip_port=('127.0.0.1',8888)
client.connect(ip_port)
while 1:
msg=input('请输入：')
client.send(msg.encode('utf-8'))
四、多路复用IO（IO multiplexing）
相当于select\epoll，这种IO方式也称为事件驱动IO，select\epoll的好处在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select\epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据响应了，就通知用户进程。
当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。
这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为它不仅阻塞了还多需要使用两个系统调用(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个系统调用(recvfrom)，当只有一个连接请求的时候，这个模型还不如阻塞IO效率高。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection，而阻塞IO那里不能，我不管阻塞不阻塞，你所有的连接包括recv等操作，我都帮你监听着（以什么形式监听的呢？先不要考虑，下面会讲的~~），其中任何一个有变动（有链接，有数据），我就告诉你用户，那么你就可以去调用这个数据了，这就是他的NB之处。这个IO多路复用模型机制是操作系统帮我们提供的，在windows上有这么个机制叫做select，那么如果我们想通过自己写代码来控制这个机制或者自己写这么个机制，我们可以使用python中的select模块来完成上面这一系列代理的行为。在一切皆文件的unix下，这些可以接收数据的对象或者连接，都叫做文件描述符fd
select模块及使用方法：select的优势在于处理多个连接，不适用于单个连接
import select fd_r_list, fd_w_list, fd_e_list = select.select(rlist, wlist, xlist, [timeout]) 参数： 可接受四个参数（前三个必须） rlist: wait until ready for reading #等待读的对象，你需要监听的需要获取数据的对象列表 wlist: wait until ready for writing #等待写的对象，你需要写一些内容的时候，input等等，也就是说我会循环他看看是否有需要发送的消息，如果有我取出这个对象的消息并发送出去，一般用不到，这里我们也给一个[]。 xlist: wait for an “exceptional condition” #等待异常的对象，一些额外的情况，一般用不到，但是必须传，那么我们就给他一个[]。 timeout: 超时时间 当超时时间 ＝ n(正整数)时，那么如果监听的句柄均无任何变化，则select会阻塞n秒，之后返回三个空列表，如果监听的句柄有变化，则直接执行。 返回值：三个列表与上面的三个参数列表是对应的 select方法用来监视文件描述符(当文件描述符条件不满足时，select会阻塞)，当某个文件描述符状态改变后，会返回三个列表 1、当参数1 序列中的fd满足“可读”条件时，则获取发生变化的fd并添加到fd_r_list中 2、当参数2 序列中含有fd时，则将该序列中所有的fd添加到 fd_w_list中 3、当参数3 序列中的fd发生错误时，则将该发生错误的fd添加到 fd_e_list中 4、当超时时间为空，则select会一直阻塞，直到监听的句柄发生变化
#服务端 from socket import * import select server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) server.bind(('127.0.0.1',8093)) server.listen(5) # 设置为非阻塞 server.setblocking(False) # 初始化将服务端socket对象加入监听列表，后面还要动态添加一些conn连接对象，当accept的时候sk就有感应，当recv的时候conn就有动静 rlist=[server,] rdata = {} #存放客户端发送过来的消息 wlist=[] #等待写对象 wdata={} #存放要返回给客户端的消息 print('预备！监听！！！') count = 0 #写着计数用的，为了看实验效果用的，没用 while True: # 开始 select 监听,对rlist中的服务端server进行监听，select函数阻塞进程，直到rlist中的套接字被触发（在此例中，套接字接收到客户端发来的握手信号，从而变得可读，满足select函数的“可读”条件），被触发的（有动静的）套接字（服务器套接字）返回给了rl这个返回值里面； rl,wl,xl=select.select(rlist,wlist,[],0.5) print('%s 次数>>'%(count),wl) count = count + 1 # 对rl进行循环判断是否有客户端连接进来,当有客户端连接进来时select将触发 for sock in rl: # 判断当前触发的是不是socket对象, 当触发的对象是socket对象时,说明有新客户端accept连接进来了 if sock == server: # 接收客户端的连接, 获取客户端对象和客户端地址信息 conn,addr=sock.accept() #把新的客户端连接加入到监听列表中，当客户端的连接有接收消息的时候，select将被触发，会知道这个连接有动静，有消息，那么返回给rl这个返回值列表里面。 rlist.append(conn) else: # 由于客户端连接进来时socket接收客户端连接请求，将客户端连接加入到了监听列表中(rlist)，客户端发送消息的时候这个连接将触发 # 所以判断是否是客户端连接对象触发 try: data=sock.recv(1024) #没有数据的时候，我们将这个连接关闭掉，并从监听列表中移除 if not data: sock.close() rlist.remove(sock) continue print("received {0} from client {1}".format(data.decode(), sock)) #将接受到的客户端的消息保存下来 rdata[sock] = data.decode() #将客户端连接对象和这个对象接收到的消息加工成返回消息，并添加到wdata这个字典里面 wdata[sock]=data.upper() #需要给这个客户端回复消息的时候，我们将这个连接添加到wlist写监听列表中 wlist.append(sock) #如果这个连接出错了，客户端暴力断开了（注意，我还没有接收他的消息，或者接收他的消息的过程中出错了） except Exception: #关闭这个连接 sock.close() #在监听列表中将他移除，因为不管什么原因，它毕竟是断开了，没必要再监听它了 rlist.remove(sock) # 如果现在没有客户端请求连接,也没有客户端发送消息时，开始对发送消息列表进行处理，是否需要发送消息 for sock in wl: sock.send(wdata[sock]) wlist.remove(sock) wdata.pop(sock) # #将一次select监听列表中有接收数据的conn对象所接收到的消息打印一下 # for k,v in rdata.items(): # print(k,'发来的消息是：',v) # #清空接收到的消息 # rdata.clear() --------------------------------------- #客户端 from socket import * client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) client.connect(('127.0.0.1',8093)) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue client.send(msg.encode('utf-8')) data=client.recv(1024) print(data.decode('utf-8')) client.close() select网络IO模型的示例代码
IO多路复用的机制：
select机制：Windows、Linux
poll机制： Linux #和lselect监听机制一样，但是对监听列表里面的数量没有限制，select默认限制是1024个，但是他们两个都是操作系统轮询每一个被监听的文件描述符（如果数量很大，其实效率不太好），看是否有可读操作。
epoll机制： Linux #它的监听机制和上面两个不同，他给每一个监听的对象绑定了一个回调函数，你这个对象有消息，那么触发回调函数给用户，用户就进行系统调用来拷贝数据，并不是轮询监听所有的被监听对象，这样的效率高很多。
五、异步IO
用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel操作系统会等待数据（阻塞）准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。
貌似异步IO这个模型很牛~~但是你发现没有，这不是我们自己代码控制的，都是操作系统完成的，而python在copy数据这个阶段没有提供操纵操作系统的接口，所以用python没法实现这套异步IO机制，其他几个IO模型都没有解决第二阶段的阻塞（用户态和内核态之间copy数据），但是C语言是可以实现的，因为大家都知道C语言是最接近底层的，虽然我们用python实现不了，但是python仍然有异步的模块和框架（tornado、twstied，高并发需求的时候用），这些模块和框架很多都是用底层的C语言实现的，它帮我们实现了异步，你只要使用就可以了，但是你要知道这个异步是不是很好呀，不需要你自己等待了，操作系统帮你做了所有的事情，你就直接收数据就行了，就像你有一张银行卡，银行定期给你打钱一样。
六、selectors模块
IO复用：为了解释这个名词，首先来理解下复用这个概念，复用也就是共用的意思，这样理解还是有些抽象，为此，咱们来理解下复用在通信领域的使用，在通信领域中为了充分利用网络连接的物理介质，往往在同一条网络链路上采用时分复用或频分复用的技术使其在同一链路上传输多路信号，到这里我们就基本上理解了复用的含义，即公用某个“介质”来尽可能多的做同一类(性质)的事，那IO复用的“介质”是什么呢？为此我们首先来看看服务器编程的模型，客户端发来的请求服务端会产生一个进程来对其进行服务，每当来一个客户请求就产生一个进程来服务，然而进程不可能无限制的产生，因此为了解决大量客户端访问的问题，引入了IO复用技术，即：一个进程可以同时对多个客户请求进行服务。也就是说IO复用的“介质”是进程(准确的说复用的是select和poll，因为进程也是靠调用select和poll来实现的)，复用一个进程(select和poll)来对多个IO进行服务，虽然客户端发来的IO是并发的但是IO所需的读写数据多数情况下是没有准备好的，因此就可以利用一个函数(select和poll)来监听IO所需的这些数据的状态，一旦IO有数据可以进行读写了，进程就来对这样的IO进行服务。 理解完IO复用后，我们在来看下实现IO复用中的三个API(select、poll和epoll)的区别和联系 select，poll，epoll都是IO多路复用的机制，I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。三者的原型如下所示： int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); 1.select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一个位数组，其大小限制为__FD_SETSIZE（1024），位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。第二三四参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组，这些参数既是输入参数也是输出参数，可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件，所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。timeout参数为超时时间，该结构会被内核修改，其值为超时剩余的时间。 select的调用步骤如下： （1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fdset到内核空间 （2）注册回调函数__pollwait （3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll） （4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。 （5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll 来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数 据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。 （6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。 （7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是 current）进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout 指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。 （8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。 总结下select的几大缺点： （1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大 （2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大 （3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024 2． poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。 poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，相比处理fdset来说，poll效率更高。poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。 3．直到Linux2.6才出现了由内核直接支持的实现方法，那就是epoll，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。epoll可以同时支持水平触发和边缘触发（Edge Triggered，只告诉进程哪些文件描述符刚刚变为就绪状态，它只说一遍，如果我们没有采取行动，那么它将不会再次告知，这种方式称为边缘触发），理论上边缘触发的性能要更高一些，但是代码实现相当复杂。epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。 epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll 和select和poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函 数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注 册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。 对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定 EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝 一次。 对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在 epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调 函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（利用 schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，和select实现中的第7步是类似的）。 对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子, 在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。 总结： （1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用 epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在 epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的 时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间，这就是回调机制带来的性能提升。 （2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要 一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内 部定义的等待队列），这也能节省不少的开销。 select,poll,epoll
这三种IO多路复用模型在不同的平台有着不同的支持，而epoll在windows下就不支持，好在我们有selectors模块，帮我们默认选择当前平台下最合适的，我们只需要写监听谁，然后怎么发送消息接收消息，但是具体怎么监听的，选择的是select还是poll还是epoll，这是selector帮我们自动选择的。
#服务端 from socket import * import selectors sel=selectors.DefaultSelector() def accept(server_fileobj,mask): conn,addr=server_fileobj.accept() sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read) def read(conn,mask): try: data=conn.recv(1024) if not data: print('closing',conn) sel.unregister(conn) conn.close() return conn.send(data.upper()+b'_SB') except Exception: print('closing', conn) sel.unregister(conn) conn.close() server_fileobj=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) server_fileobj.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) server_fileobj.bind(('127.0.0.1',8088)) server_fileobj.listen(5) server_fileobj.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞 sel.register(server_fileobj,selectors.EVENT_READ,accept) #相当于网select的读列表里append了一个文件句柄server_fileobj,并且绑定了一个回调函数accept while True: events=sel.select() #检测所有的fileobj，是否有完成wait data的 for sel_obj,mask in events: callback=sel_obj.data #callback=accpet callback(sel_obj.fileobj,mask) #accpet(server_fileobj,1) #客户端 from socket import * c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM) c.connect(('127.0.0.1',8088)) while True: msg=input('>>: ') if not msg:continue c.send(msg.encode('utf-8')) data=c.recv(1024) print(data.decode('utf-8')) selector代码示例
