原文地址:https://www.cnblogs.com/maociping/p/5132583.html
1、EPOLL模型讲解
首先我们来定义流的概念,一个流可以是文件,socket,pipe等可以进行I/O操作的内核对象。不管是文件,还是套接字(socket),还是管道(pipe),我们都可以把他们看作流。
之后我们来讨论I/O操作,通过read,我们可以从流中读入数据;通过write,我们可以往流中写入数据。现在假定1种情形,我们需要从流中读数据,但是流中还没有数据,(典型的例子为,客户端要从socket读数据,但是服务器端还没有把数据传回来),这时候该怎么办?
阻塞:阻塞是个什么概念呢?比如某个时候你在等快递,但是你还不知道快递什么时候过来,而且你也没有别的事可以干(或者说接下来的事要等快递来了才能做);那么你可以去睡觉了,因为你知道快递把货送来时一定会给你打电话(假定一定能叫醒你)。
非阻塞忙轮询:接着上面等快递的例子,如果用忙轮询的方法,那么你需要知道快递员的手机号,然后每分钟给他打个电话:“你到了没?”
很明显一般人不会用第二种做法,不仅显得无脑,浪费话费不说,还占用了快递员大量的时间。
大部分程序也不会用第二种做法,因为第一种方法经济而简单,经济是指消耗很少的CPU时间,如果线程睡眠了,就掉出了系统的调度队列,暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片。
为了了解阻塞是如何进行的,我们来讨论缓冲区,以及内核缓冲区,最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用(你知道它很慢的),当你操作一个流时,更多的是以缓冲区为单位进行操作,这是相对于用户空间而言。对于内核来说,也需要缓冲区。
假设有一个管道,进程A为管道的写入方,B为管道的读出方。假设一开始内核缓冲区是空的,B作为读出方,被阻塞着。然后首先A往管道写入,这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态,内核就会产生一个事件告诉B该醒来了,这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。但是“缓冲区非空”事件通知B后,B却还没有读出数据;且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候,A写入的数据会滞留在内核缓冲区中,如果内核也缓冲区满了,B仍未开始读数据,最终内核缓冲区会被填满,这个时候会产生一个I/O事件,告诉进程A,你该等等(阻塞)了,我们把这个事件定义为“缓冲区满”。假设后来B终于开始读数据了,于是内核的缓冲区空了出来,这时候内核会告诉A,内核缓冲区有空位了,你可以从长眠中醒来了,继续写数据了,我们把这个事件叫做“缓冲区非满”。也许事件Y1已经通知了A,但是A也没有数据写入了,而B继续读出数据,知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B,你需要阻塞了!,我们把这个时间定为“缓冲区空”。
这四种情形涵盖了四个I/O事件,内核缓冲区满,内核缓冲区空,内核缓冲区非空,内核缓冲区非满。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什么概念,请学习操作系统的锁,信号量,条件变量等任务同步方面的相关知识)。
然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下,一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流,要么多进程(fork),要么多线程(pthread_create),很不幸这两种方法效率都不高。于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式,我们发现可以同时处理多个流(把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论):
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1 while true { 2 for i in stream[]; { 3 if i has data 4 read until unavailable 5 } 6 }
1 while true { 2 for i in stream[]; { 3 if i has data 4 read until unavailable 5 } 6 }
我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍,又从头开始。这样就可以处理多个流了,但这样的做法显然不好,因为如果所有的流都没有数据,那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点,阻塞模式下,内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒,而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象(后文介绍的select以及epoll)处理甚至直接忽略。
为了避免CPU空转,可以引进一个代理(一开始有一位叫做select的代理,后来又有一位叫做poll的代理,不过两者的本质是一样的)。这个代理比较厉害,可以同时观察许多流的I/O事件,在空闲的时候,会把当前线程阻塞掉,当有一个或多个流有I/O事件时,就从阻塞态中醒来,于是我们的程序就会轮询一遍所有的流(于是我们可以把“忙”字去掉了)。代码长这样:
while true {
select(streams[])
for i in streams[] {
if i has data
read until unavailable
}
}
于是,如果没有I/O事件产生,我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题,我们从select那里仅仅知道了,有I/O事件发生了,但却并不知道是那几个流(可能有一个,多个,甚至全部),我们只能无差别轮询所有流,找出能读出数据,或者写入数据的流,对他们进行操作。
epoll_create 创建一个epoll对象,一般epollfd = epoll_create()
epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合体),往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
比如
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件,即有数据流入
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件,即流可以被写入
epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生
(注:当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空,write/read会返回-1,并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件)。
一个epoll模式的代码大概的样子是:
2 python中的epoll
从以上可知,epoll是对select、poll模型的改进,提高了网络编程的性能,广泛应用于大规模并发请求的C/S架构中。
1、触发方式:
边缘触发/水平触发,只适用于Unix/Linux操作系统
2、原理图
3、一般步骤
- Create an epoll object——创建1个epoll对象
- Tell the epoll object to monitor specific events on specific sockets——告诉epoll对象,在指定的socket上监听指定的事件
- Ask the epoll object which sockets may have had the specified event since the last query——询问epoll对象,从上次查询以来,哪些socket发生了哪些指定的事件
- Perform some action on those sockets——在这些socket上执行一些操作
- Tell the epoll object to modify the list of sockets and/or events to monitor——告诉epoll对象,修改socket列表和(或)事件,并监控
- Repeat steps 3 through 5 until finished——重复步骤3-5,直到完成
- Destroy the epoll object——销毁epoll对象
4、相关用法
import select 导入select模块
epoll = select.epoll() 创建一个epoll对象
epoll.register(文件句柄,事件类型) 注册要监控的文件句柄和事件
事件类型:
select.EPOLLIN 可读事件
select.EPOLLOUT 可写事件
select.EPOLLERR 错误事件
select.EPOLLHUP 客户端断开事件
epoll.unregister(文件句柄) 销毁文件句柄
epoll.poll(timeout) 当文件句柄发生变化,则会以列表的形式主动报告给用户进程,timeout
为超时时间,默认为-1,即一直等待直到文件句柄发生变化,如果指定为1
那么epoll每1秒汇报一次当前文件句柄的变化情况,如果无变化则返回空
epoll.fileno() 返回epoll的控制文件描述符(Return the epoll control file descriptor)
epoll.modfiy(fineno,event) fineno为文件描述符 event为事件类型 作用是修改文件描述符所对应的事件
epoll.fromfd(fileno) 从1个指定的文件描述符创建1个epoll对象
epoll.close() 关闭epoll对象的控制文件描述符
5 实例:客户端发送数据 服务端将接收的数据返回给客户端
服务端代码
#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import socket
import select
import Queue
# 创建socket对象
serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置IP地址复用
serversocket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
# ip地址和端口号
server_address = ("127.0.0.1", 8888)
# 绑定IP地址
serversocket.bind(server_address)
# 监听,并设置最大连接数
serversocket.listen(10)
print "服务器启动成功,监听IP:", server_address
# 服务端设置非阻塞
serversocket.setblocking(False)
# 超时时间
timeout = 10
# 创建epoll事件对象,后续要监控的事件添加到其中
epoll = select.epoll()
# 注册服务器监听fd到等待读事件集合
epoll.register(serversocket.fileno(), select.EPOLLIN)
# 保存连接客户端消息的字典,格式为{}
message_queues = {}
# 文件句柄到所对应对象的字典,格式为{句柄:对象}
fd_to_socket = {serversocket.fileno(): serversocket, }
while True:
print "等待活动连接......"
# 轮询注册的事件集合,返回值为[(文件句柄,对应的事件),(...),....]
events = epoll.poll(timeout)
if not events:
print "epoll超时无活动连接,重新轮询......"
continue
print "有", len(events), "个新事件,开始处理......"
for fd, event in events:
socket = fd_to_socket[fd]
# 如果活动socket为当前服务器socket,表示有新连接
if socket == serversocket:
connection, address = serversocket.accept()
print "新连接:", address
# 新连接socket设置为非阻塞
connection.setblocking(False)
# 注册新连接fd到待读事件集合
epoll.register(connection.fileno(), select.EPOLLIN)
# 把新连接的文件句柄以及对象保存到字典
fd_to_socket[connection.fileno()] = connection
# 以新连接的对象为键值,值存储在队列中,保存每个连接的信息
message_queues[connection] = Queue.Queue()
# 关闭事件
elif event & select.EPOLLHUP:
print 'client close'
# 在epoll中注销客户端的文件句柄
epoll.unregister(fd)
# 关闭客户端的文件句柄
fd_to_socket[fd].close()
# 在字典中删除与已关闭客户端相关的信息
del fd_to_socket[fd]
# 可读事件
elif event & select.EPOLLIN:
# 接收数据
data = socket.recv(1024)
if data:
print "收到数据:", data, "客户端:", socket.getpeername()
# 将数据放入对应客户端的字典
message_queues[socket].put(data)
# 修改读取到消息的连接到等待写事件集合(即对应客户端收到消息后,再将其fd修改并加入写事件集合)
epoll.modify(fd, select.EPOLLOUT)
# 可写事件
elif event & select.EPOLLOUT:
try:
# 从字典中获取对应客户端的信息
msg = message_queues[socket].get_nowait()
except Queue.Empty:
print socket.getpeername(), " queue empty"
# 修改文件句柄为读事件
epoll.modify(fd, select.EPOLLIN)
else:
print "发送数据:", data, "客户端:", socket.getpeername()
# 发送数据
socket.send(msg)
# 在epoll中注销服务端文件句柄
epoll.unregister(serversocket.fileno())
# 关闭epoll
epoll.close()
# 关闭服务器socket
serversocket.close()
# 服务端代码
客户端代码
#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
import socket
#创建客户端socket对象
clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
#服务端IP地址和端口号元组
server_address = ('127.0.0.1',8888)
#客户端连接指定的IP地址和端口号
clientsocket.connect(server_address)
while True:
#输入数据
data = raw_input('please input:')
#客户端发送数据
clientsocket.sendall(data)
#客户端接收数据
server_data = clientsocket.recv(1024)
print '客户端收到的数据:'server_data
#关闭客户端socket
clientsocket.close()
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
1 #!/usr/bin/env python 2 #-*- coding:utf-8 -*- 3 4 import socket 5 6 #创建客户端socket对象 7 clientsocket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) 8 #服务端IP地址和端口号元组 9 server_address = ('127.0.0.1',8888) 10 #客户端连接指定的IP地址和端口号 11 clientsocket.connect(server_address) 12 13 while True: 14 #输入数据 15 data = raw_input('please input:') 16 #客户端发送数据 17 clientsocket.sendall(data) 18 #客户端接收数据 19 server_data = clientsocket.recv(1024) 20 print '客户端收到的数据:'server_data 21 #关闭客户端socket 22 clientsocket.close()