网络编程之：事件驱动与异步IO

事件驱动与异步IO

服务器处理模型有以下几种：
（1）每收到一个请求，创建一个新的进程，来处理该请求；由于创建新的进程的开销比较大，会导致服务器性能比较差,但实现比较简单。
（2）每收到一个请求，创建一个新的线程，来处理该请求；由于涉及到线程的同步，有可能会面临死锁等问题。
（3）每收到一个请求，放入一个事件列表，让主进程通过非阻塞I/O方式来处理请求；在写应用程序代码时，逻辑比前面两种都复杂，但最多采用

1 事件驱动模型

在UI编程中，常常要对鼠标点击进行相应，首先如何获得鼠标点击呢？

  • 方式一：创建一个线程，该线程一直循环检测是否有鼠标点击，那么这个方式有以下几个缺点：

    1. CPU资源浪费，可能鼠标点击的频率非常小，但是扫描线程还是会一直循环检测，这会造成很多的CPU资源浪费；如果扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢？
    2. 如果我们不但要扫描鼠标点击，还要扫描键盘是否按下，由于扫描鼠标时被堵塞了，那么可能永远不会去扫描键盘；
    3. 如果一个循环需要扫描的设备非常多，这又会引来响应时间的问题；

  • 方式二：就是事件驱动模型
    目前大部分的UI编程都是事件驱动模型，如很多UI平台都会提供 οnclick="alert(‘warning’)"事件，单击会弹出窗口，这个事件就代表鼠标按下事件。事件驱动模型大体思路如下：

    1. 有一个事件（消息）队列；
    2. 鼠标按下时，往这个队列中增加一个点击事件（消息）；
    3. 有个循环，不断从队列取出事件，根据不同的事件，调用不同的函数，如onClick()、onKeyDown()等；
    4. 事件（消息）一般都各自保存各自的处理函数指针，这样，每个消息都有独立的处理函数；

  • 编程范式

    1. 事件驱动编程: 这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特点是包含一个事件循环，当外部事件发生时，注册一个回调到事件循环中，然后当I/O操作完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询所有的事件，当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽可能的得以执行而不需要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为，因为程序员不需要关心线程安全问题。
    2. 单线程同步模型: 任务按照顺序执行。如果某个任务因为I/O而阻塞，其他所有的任务都必须等待，直到它完成之后它们才能依次执行。
    3. 多线程: 这些线程由操作系统来管理，在多处理器系统上可以并行处理，或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其他线程得以继续执行。与完成类似功能的同步程序相比，这种方式更有效率，但程序员必须写代码来保护共享资源，防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断，因为这类程序不得不通过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其他机制来处理线程安全问题，如果实现不当就会导致出现微妙且令人痛不欲生的bug。

2 同步IO和异步IO，阻塞IO和非阻塞IO

以Linux环境下进行说明

2.1 基础概念

  1. **用户空间与内核空间: ** 现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

  2. **进程切换: **为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

    从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

    1. 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
    2. 更新PCB信息。
    3. 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
    4. 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
    5. 更新内存管理的数据结构。
    6. 恢复处理机上下文。

    注：进程控制块（Processing Control Block），是操作系统核心中一种数据结构，主要表示进程状态。其作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位或与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。 PCB通常是系统内存占用区中的一个连续存区，它存放着操作系统用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息

  3. **进程的阻塞: **正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

  4. **文件描述符fd: **文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

  5. **缓存 I/O: **缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

    **缓存 I/O 的缺点: **数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

2.2 I/O模式

对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后从内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

  1. 等待数据准备
  2. 将数据从内核拷贝到进程中

针对这两个阶段，linux系统产生了下面五种网络模式的方案。

  1. 阻塞 I/O（blocking IO）

    在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

    img

    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（对于网络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）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝 到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。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。

  2. 非阻塞 I/O（nonblocking IO）

    当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

    img

    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。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，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。

    所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

  3. I/O 多路复用（ IO multiplexing）

    IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个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，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

    img

    当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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。

    所以，I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。
    因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。
    在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

  4. 异步 I/O（asynchronous IO）

    img

    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。

  5. 信号驱动 I/O（ signal driven IO）

    待补充

总结

**blocking和non-blocking的区别: **调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

**synchronous IO和asynchronous IO的区别: **POSIX的定义是这样子的：

  • A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
  • An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。

关于non-blocking IO没有被block：这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。

**asynchronous IO: **当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

3 多路复用select / poll / epoll

select
通过一个select()系统调用来监视多个文件描述符的数组，当select()返回后，该数组中就绪的文件描述符便会被内核修改标志位，使得进程可以获得这些文件描述符从而进行后续的读写操作。

select目前几乎在所有的平台上支持。

select的一个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，不过可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制。

另外，select()所维护的存储大量文件描述符的数据结构，随着文件描述符数量的增大，其复制的开销也线性增长。同时，由于网络响应时间的延迟使得大量TCP连接处于非活跃状态，但调用select()会对所有socket进行一次线性扫描，所以这也浪费了一定的开销。

poll
poll和select在本质上没有多大差别，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。

epoll：实际为 I/O多路复用

epoll可以同时支持水平触发和边缘触发。

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。

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。

# 水平触发和边缘触发
- 水平触发(Level Triggered): select()和poll()将就绪的文件描述符告诉进程后，如果进程没有对其进行IO操作，那么下次调用select()和poll()的时候将再次报告这些文件描述符，所以它们一般不会丢失就绪的消息.

- 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，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。

3.1 Select模拟多路复用Socket server

注：使用多路复用实现socket server必须处于非阻塞的模式。

server端
import socket
import select
import queue

HOST = 'localhost'
PORT = 6666

server = socket.socket()
server.bind((HOST, PORT))
server.listen(1000)
server.setblocking(False)  # 设置为非阻塞模式
# server.accept()  # accept原本为阻塞，设置成非阻塞模式后程序不是block等待，而是如果没有收到请求直接报错。


# 使用列表放入用于监测的对象。
inputs = [server, ]
# inputs = []时，由于没有监测对象，程序返回OSError: [WinError 10022] 提供了一个无效的参数。但由于本身程序是活动的(在监听)，在没有链接时，监听本身ser
outputs = []
msg_dict = {}

def link_close(name):
    if name in outputs:
        outputs.remove(name)
    inputs.remove(name)
    del msg_dict[name]

while True:
    # 将列表交给内核进行调用。
    readable, writeable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)
    # 第一个参数是想让内核监测的链接放入inputs列表中只要有一个就返回；
    # 第二个参数是向outputs中放入什么在下次循环的过程中输出什么
    # 第三个是指监测的链接inputs中出现错误的返回。
    print('readable', readable)
    print('writeable', writeable)
    print('exceptional', exceptional)
    # 输出：
    # readable [<socket.socket fd=448, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 6666)>]
    # writeable []
    # exceptional []

    for r in readable:
        if r is server:
            conn, addr = r.accept()
            print('new connection is coming', addr)
            # conn说明已经建立起一个链接实例：< socket.socket fd = 588, \
            # family = AddressFamily.AF_INET, type = SocketKind.SOCK_STREAM, proto = 0, \
            # laddr = ('127.0.0.1', 6666), raddr = ( '127.0.0.1', 50657) >
            # addr远程链接过来的客户端地址与端口： ( '127.0.0.1', 50657)

            inputs.append(conn)
            msg_dict[conn] = queue.Queue()  # 初始化一个队列，后面存要返回给这个客户端的数据
        # ConnectionAbortedError: [WinError 10053] 你的主机中的软件中止了一个已建立的连接。
        # 因为这个新建立的连接还没有发数据过来，现在就接收，由于非阻塞，程序会报错。
        # 解决方法：在客户端发来数据时，server端能知道，就需要让select再监测这个conn
        # 但此时，inputs中参数为inputs = [ser, conn]，只要两个参数中有一个活动，则返回活动的参数。
        # 如果返回是server表示来了一个新链接
        # 如果返回是一个conn则表示来了一个新数据。

        else:
            data = r.recv(1024)
            if data:
                print('接收来自[%s]的数据： ' % r.getpeername()[0], data)
                # r.send(data)
                # 此时，即使客户端没有接收也不会发生阻塞，但如果客户端是等会才接收，如何做只接收发送给自己的数据呢
                # 先为每个链接定义一个待发送列表队列，
                msg_dict[r].put(data)
                if r not in outputs:
                    outputs.append(r)  # 放入返回的链接队列
            else:
                print("客户端断开，", r)
                link_close(r)

    for w in writeable:
        try:
            next_msg = msg_dict[w].get_nowait()
        except queue.Empty:
            print('client [%s]' % w.getpeername()[0], 'queue is empty...')
            outputs.remove(w)
            # 确保下次循环的时候writeable，不返回这个已经处理完的链接了。
        else:
            print("sending msg to [%s]" % w.getpeername()[0], next_msg)
            w.send(next_msg.upper())
            # 返回给客户端源数据

    for e in exceptional:
        print("handling exception for ", e.getpeername())
        inputs.remove(e)
        link_close(e)

3.2 selectors模块

import selectors
import socket


HOST = 'localhost'
PORT = 6666

server = socket.socket()
server.bind((HOST, PORT))
server.listen(1000)
server.setblocking(False)

sel = selectors.DefaultSelector()
print('sel: ', sel)

def read(conn):
    recv_msg = conn.recv(1024)
    if recv_msg:
        print('recv: ', recv_msg)
        conn.send(recv_msg.upper())
    else:
        print('连接断开！')
        sel.unregister(conn)
        conn.close()

def accept(conn):
    conn, addr = server.accept()
    print('来了一个新连接: ', addr)
    conn.setblocking(False)
    sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read)

sel.register(server, selectors.EVENT_READ, accept)

while True:
    events = sel.select()
    for key, other in events:
        callback = key.data
        callback(key.fileobj)

3.3 多发客户端

客户端1
import socket
import sys

messages = [ b'This is the message. ',
             b'It will be sent ',
             b'in parts.',
             ]
server_address = ('192.168.100.11', 6666)

# Create a TCP/IP socket

socks = [ socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) for i in range(10000)]

# Connect the socket to the port where the server is listening

print('connecting to %s port %s' % server_address)
for s in socks:
    s.connect(server_address)

for message in messages:

    # Send messages on both sockets
    for s in socks:
        print('%s: sending "%s"' % (s.getsockname(), message) )
        s.send(message)
    
    # Read responses on both sockets
    for s in socks:
        data = s.recv(1024)
        print( '%s: received "%s"' % (s.getsockname(), data) )
        if not data:
            print(sys.stderr, 'closing socket', s.getsockname() )

客户端2
import socket
import threading

def sock_conn():

    client = socket.socket()
    
    client.connect(("localhost",6666))
    count = 0
    #msg = input(">>:").strip()
    #if len(msg) == 0:continue
    client.send( ("hello %s" %count).encode("utf-8"))
    
    data = client.recv(1024)
    
    print("[%s]recv from server:" % threading.get_ident(),data.decode()) #结果
    client.close()

for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=sock_conn)
    t.start()
posted @ 2020-11-08 10:40  f_carey  阅读(25)  评论(0)  编辑  收藏  举报  来源