Python开发基础--- IO模型
IO模型分类
五种IO Model
blocking IO 阻塞IO
nonblocking IO 非阻塞IO
IO multiplexing IO多路复用
signal driven IO 信号驱动IO
asynchronous IO 异步IO
signal driven IO（信号驱动IO）在实际中并不常用，所以只剩下四种IO Model。
网络IO的两个过程
对于一个network IO ，会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
- 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)：等待系统接收数据
- 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)：进程从系统缓存中拿到数据
同步IO：在这两个过程中有任意阶段出现阻塞状态。
阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用都是同步IO
异步IO：全程无阻塞的IO
异步IO属于异步IO（真的没毛病）
阻塞IO（Blocking IO）
UDP包：当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。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，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。
blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。
示例：
1 #服务端
2 import socket
3 sock=socket.socket() #默认是TCP
4 sock.bind(("127.0.0.1",8088))
5
6 sock.listen(5)
7 while True:
8 conn,addr=sock.accept() #默认是就是阻塞的方式，监听等待客户端连接（阶段一）：等待中的阻塞
9 #客户端连接后接收数据（阶段二）：socket对象和客户端地址，虽然接收数据的过程很快但是实际上也是阻塞
10 while True:
11 data=conn.recv(1024) #也是两个阶段的阻塞
12 print(data.decode('utf8'))
13 if data.decode('utf8') =='q':
14 break
15 respnse=input('>>>>')
16 conn.send(respnse.encode('utf8'))
17
18
19 #客户端
20 import socket
21 sock=socket.socket()
22 sock.connect(("127.0.0.1",8088))
23
24 while True:
25 data=input('>>>').strip()
26 sock.send(data.encode('utf8'))
27 s_data = sock.recv(1024) #两个阶段的阻塞
28 print(s_data.decode('utf8'))
非阻塞IO（Non-blocking IO）
当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。所以用户进程不需要等待，而是马上就得到了一个结果，用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。这个过程中，用户进程是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
非阻塞实际上是将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞，每次recvform系统调用之间，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用，重复的过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。
优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。
缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。
1 #服务端
2
3 import socket
4 import time
5 sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #默认是TCP
6 sock.bind(("127.0.0.1",8088))
7 sock.listen(5)
8 sock.setblocking(False)
9
10 while True:
11 try:
12 print('server waiting')
13 conn, addr = sock.accept() # 默认是个阻塞的方式，等待客户端连接
14 while True:
15 data = conn.recv(1024) #这边也是阻塞的IO
16 print(data.decode('utf8'))
17 if data.decode('utf8') == 'q':
18 break
19 respnse = input('>>>>')
20 conn.send(respnse.encode('utf8'))
21 except Exception as e:
22 print (e)
23 time.sleep(4)
24
25 #客户端
26 import socket
27 sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #默认是TCP
28
29 while True:
30 sock.connect(("127.0.0.1", 8088)) #因为服务端recv也是非阻塞，所以要不断重新连接
31 data=input('>>>').strip()
32 sock.send(data.encode('utf8'))
33 s_data = sock.recv(1024)
34 print(s_data.decode('utf8'))
IO多路复用（IO multiplexing）
IO多路复用，也叫做event driven IO，实现方式：select，poll或epoll
IO多路复用的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO
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。这个过程中有两次system call（系统调用） select阻塞时候 和 recvfrom阻塞时候。用多路复用的的优势在于它可以同时处理大批量的connection，不适用单个或少量，少量还不如multi-threading + blocking IO。
select示例：
1 #服务端
2 import socket
3 import select
4 sock=socket.socket()
5 sock.bind(("127.0.0.1",8088))
6 sock.listen(5)
7
8 inp=[sock,] #定义监听的套接字对象列表，列表列表里可以有多个对象
9
10 while True:
11 #字段顺序：input list 、output list、error list、date(可以不写)
12 r=select.select(inp,[],[],None) #对比的是sock.accept(),这一步只做了监听的事情，监听哪个socket对象活动，当没有客户端连接时候会阻塞
13 # 当监听到有活动的socket对象时候，将返回值给r
14 print('r',r)
15 print('r',r[0])
16 #r接收的返回是一个元组，r[0]是活动的对象列表
17
18 for obj in r[0]:
19 if obj == sock: #如果活动的对象是sock，那么将客户端对象加入监听列表，客户端再发数据时候，触发客户端的对象活动
20 conn,addr=obj.accept() #accept只做第二个阶段的事情，取回数据：client的socket对象和地址
21 print(conn,addr)
22 inp.append(conn)
23 else:
24 data=obj.recv(1024)
25 print(data.decode('utf8'))
26 resp=input('>>>')
27 obj.send(resp.encode('utf8'))
28
29 #客户端
30 import socket
31 sock=socket.socket()
32 sock.connect(("127.0.0.1", 8088))
33 while True:
34 data=input('>>>').strip()
35 sock.send(data.encode('utf8'))
36 s_data = sock.recv(1024)
37 print(s_data.decode('utf8'))
因为使用的是for循环，当多个客户端发消息给服务端，只能一个个顺序处理。
在windows下只能用select实现多路复用
在Linux可以使用select、poll、epoll实现，推荐使用epoll，对比：
select和poll的监听方式为轮询方式，即每次都要循环一遍监听列表，效率低，另外select有连接数限制，poll无限
epoll连接数无限，区别在于监听方式不同，每个socket对象绑定一个回调函数，当socket对象活动了就触发回调函数，把自己写到活动列表中，epoll直接调用活动列表
信号驱动IO（signal driven IO）
不常用，不做说明
异步IO（Asynchronous I/O）
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会等待数据准备完成，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。
IO模型区别
selectors模块
该模块能够按照系统平台，自动选择多路复用的方式。
1 #服务端
2 import selectors
3 import socket
4
5 sel=selectors.DefaultSelector()
6
7 def accept(sock,mask):
8 conn,addr=sock.accept() #4、获取客户端的conn对象和地址
9 print('accetped',conn,'from',addr)
10 conn.setblocking(False)
11 sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read) #5、注册conn对象，将conn对象和函数read绑定
12
13 def read(conn,mask):
14 data=conn.recv(1024) #9、服务端通过conn对象接收消息，进行下面的逻辑处理
15 if data:
16 print('echoing',repr(data),'to',conn)
17 conn.send(data)
18 else:
19 print('closing',conn)
20 sel.unregister(conn)
21 conn.close()
22
23 sock=socket.socket()
24 sock.bind(('127.0.0.1',8088))
25 sock.listen(100)
26 sock.setblocking(False)
27 sel.register(sock,selectors.EVENT_READ,accept) #sock对象注册绑定accept函数
28
29 while True:
30 #不管是哪个方式，都是使用select方法监听活动的socket对象
31 events=sel.select() #1、执行sel阻塞监听，当有客户端连接，激活sock对象，返回一个存放活动sock对象相关信息的列表
32 #6、客户端通过conn对象发送消息，激活sel监听列表中的的conn对象，返回一个存放活动conn对象相关信息的列表
33 print(events,type(events))
34 for key,mask in events:
35 print(mask)
36 print(key.data) #socket对象注册绑定的accept函数
37 print(key.fileobj)
38 callback=key.data #2、取得返回的sock绑定的函数
39 #7、取得返回conn绑定的函数
40 callback(key.fileobj,mask) #3、key.fileobj是sock对象，执行函数
41 #8、执行函数read，并传入conn对象
42
43
44 #客户端
45 import socket
46 sock=socket.socket()
47 sock.connect(("127.0.0.1", 8088))
48 while True:
49 data=input('>>>').strip()
50 sock.send(data.encode('utf8'))
51 s_data = sock.recv(1024)
52 print(s_data.decode('utf8'))
