blocking IO / nonblocking IO / io多路复用 /异步IO 的小例子

同步IO（blocking）

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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：

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。
所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了

#server:
import socket

sk=socket.socket()

sk.bind(("127.0.0.1", 888))

sk.listen(5)

while 1:
    conn,addr=sk.accept()  # 阻塞中，等待请求端发来请求

    while 1:
        conn.send("hello tom".encode("utf8"))
        data=conn.recv(1024)  # 阻塞中，等待发送端发送数据
        print(data.decode("utf8"))



#client:

import socket

sk=socket.socket()

sk.connect(("127.0.0.1", 888))

while True:
    data=sk.recv(1024)  # 阻塞中，等待发送端发送数据
    print(data.decode("utf8"))
    sk.send(b"hello jack")

 非阻塞IO(nonblocking)

non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

从图中可以看出，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，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

# server:
import socket, time

s=socket.socket()

s.bind(("127.0.0.1", 888))

s.listen(5)
s.setblocking(False) # 设置非阻塞IO模式
while True:
    try:
        while True:
            '''
            conn,addr=s.accept()一直轮询，循环的发出系统调用。一直问：数据到了没有？
            
            '''

            conn,addr=s.accept()

            while 1:
                conn.send("hello tom".encode("utf8"))
                data=conn.recv(1024)  # 阻塞中，等待发送端发送数据
                print(data.decode("utf8"))
    except Exception as e:
        print(e)
        time.sleep(3)

#client:

import socket

s=socket.socket()

s.connect(("127.0.0.1",888))

while True:
    s.send('hello jack'.encode("utf8"))
    data=s.recv(1024)
    print(data.decode("utf8"))

 

IO多路复用(lO multiplexing)

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。
我们都知道，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/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。它的流程如图：

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。

（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）

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。

# server

import socket
import select
s = socket.socket()
s.bind(("127.0.0.1", 888))
s.listen(5)
inp = []
while True:

    r, w, e = select.select([s, ], [], [], 5)  # 此时阻塞由select来完成

    for i in r:
        conn, add = i.accept()  # select 收到请求后，需要再发数据过来，才能避免阻塞
        print(conn)  # 打印套字对象
        print("hello")
    print('正在询问'）


#client

import socket

s=socket.socket()

s.connect(("127.0.0.1", 888))

while True:
    inp=input(">>").strip()
    s.send(inp.encode("utf8"))
    data=s.recv(1024)
    print(data.decode("utf8"))

 非异步IO（asynchronous IO）:

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

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。

到目前为止，已经将四个IO Model都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题：blocking和non-blocking的区别在哪，synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。
先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。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。

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。Stevens给出的定义（其实是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。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。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。而asynchronous IO则不一样，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。

 

 转载:https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378