Python网络编程—socket(二)

http://www.cnblogs.com/phennry/p/5645369.html

接着上篇博客我们继续介绍socket网络编程，今天主要介绍的内容：IO多路复用、多线程、补充知识点。

一、IO多路复用

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用于以下场合：

当客户端处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接字），必须使用IO复用；
当一个客户通过处理过个套接字时，而这种情况是可能的，但很少出现；
如果一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般也要用到IO复用；
如果服务器纪要处理TCP，又要处理UDP时；
如果一个服务器要处理多个服务或多个协议时，使用IO复用。

IO多路复用的事件方式有三种，分别是：select、poll、epoll。

下面我们就介绍下这三种事件方式：

1、select

首先select是可以跨平台的，select函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，知道有描述符就绪(有数据可读、可写或者有except异常)，或者超时(timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可)，函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。具体用法，请看下面代码：

服务器端：

import socket
import select               #select的监听是有个数限制1024
 
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1', 9999,))
sk.listen(5)
 
inputs = [sk,]
while True:
    rlist,w,x, = select.select(inputs,[],[],1)
    print(len(inputs),len(rlist))
    #监听sk(服务端)对象如果sk对象发生变化，表示有客户端来连接了，此时rlist值为[sk,]
    #监听conn对象，如果conn发生变化时，表示客户端有新消息发送过来，此时rlist的值为[客户端]
    #当s1向服务端发送消息时，rlist =[s1]
 
    for r in rlist:
        if r == sk:                     #判断新客户来连接
            conn,address = r.accept()   #conn也是socket的对象
            inputs.append(conn)
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf-8'))
        else:
            r.recv(1024)                 #等待接收客户端发来消息

客户端：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
 
import socket
 
sk = socket.socket()
 
sk.connect(("127.0.0.1",9999,))
data = sk.recv(1024)
print(data)
 
while True:
    inp = input('>>>:')
    sk.sendall(bytes(inp,encoding='utf-8'))
    print(sk.recv(1024))
sk.close()

select方法用来监视文件句柄，如果句柄发生变化，则获取该句柄。上面的例子只用来监视sk对象和conn对象。

从上面的例子我们可以判断出如果同时多个客户端连接过来，某一个断开的话，服务器端会报错，为了解决这个问题我们将代码修改如下：

import socket
import select
 
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1', 9999,))
sk.listen(5)
 
inputs=[sk,]
while True:
    rlist,w,x = select.select(inputs,[],[],1)
    print(len(inputs),len(rlist))
    for r in rlist:
        if r == sk:
            conn,address = r.accept()
            inputs.append(conn)
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf-8'))
        else:
            print('=====================')
            try:
                ret = r.recv(1024)
                r.sendall(ret)
                if not ret:        #如果接收的数据Wie空的话，主动触发下面的raise错误
                    raise  Exception('断开连接!!!')
            except Exception as e:
                inputs.remove(r)   #如果客户端断开的话，移除监听的连接

下面我们就使用select来实现一下socketserver服务端的功能，具体代码如下：

import socket
import select
 
sk = socket.socket()             #创建套接字
sk.bind(('127.0.0.1', 9999,))    #绑定套接字
sk.listen(5)                     #等待连接队列长度
 
inputs=[sk,]                     #初始化读取数据的监听列表，最开始时希望从sk这个套接字上读取数据
outputs=[]                       #初始化写入数据的监听列表，最开始时并没有客户端连接进来，所以列表为空
messages = {}                    #创建字典，用来记录发往客户端的数据
 
while True:
    rlist,wlist,elist = select.select(inputs,outputs,[],1)    #调用select监听所有列表中的套接字，并将准备好的套接字加入到对应的列表中
    print(len(inputs),len(rlist),len(wlist),len(outputs))
    for r in rlist:
        if r == sk:
            conn,address = r.accept()
            inputs.append(conn)
            messages[conn] = []
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf-8'))
        else:
            print('=====================')
            try:
                ret = r.recv(1024)
                if not ret:                           #如果接收的数据为空的话，主动触发下面的raise错误
                    raise  Exception('断开连接!!!')
                else:
                    outputs.append(r)
                    messages[r].append(ret)
            except Exception as e:
                inputs.remove(r)                      #如果客户端断开的话，移除监听的连接
                del messages[r]
 
#所有给我发过消息的人
    for w in wlist:
        msg = messages[w].pop()
        resp = msg + bytes('response',encoding='utf-8')
        w.sendall(resp)
        outputs.remove(w)

在上面的例子中监控文件句柄有某一处发生了变化，可写、可读、异常属于Linux中的网络编程，属于同步I/O操作，属于I/O复用模型的一种：

rlist-->等待到准备好读；
wlist-->等待到准备好写；
xlist-->等待到一种异常。

如果sk这个套接字可读，则说明有新链接到来，此时在sk套接字上调用accept，生成一个与客户端通讯的套接字，并将与客户端通讯的套接字加入到inputs列表，下一次可以通过select检查链接是否可读，然后在发往客户端的缓冲加入一项，键名为：与客户端通讯的套接字，键值为空队列，select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄(file descriptor)的状态变化的。程序会停在select这里等待，知道被监视的文件句柄有某一个会多个发生了状态改变。

若可读的套接字不是sk套接字，有两种情况：一种是有数据到来，另一种是链接断开。

如果有数据到来，先接收数据，然后将收到的数据填入往客户端的缓存区中的对应位置，最后将于客户端通讯的套接字加入到写数据的监听列表；

如果套接字可读，但没有接收到数据，则说明客户端已经断开，这时需要关闭与客户端链接的套接字，进行资源清理。

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理的，这样所带来的缺点是：

select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FD_SIZE设置，默认值是1024。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max查看。32位的系统默认为1024,64位的系统默认为2048。
对socket进行扫描是采用的轮询的方法，效率较低当套接字比较多的时候，不管哪个socket是活跃的，都要遍历一遍，这样会浪费CPU时间。
需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

2、poll

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd,这个过程经历了多次无谓的遍历。

import socket
import select
import Queue
   
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.setblocking(False)                    #设置成非阻塞
server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
server_address = ("127.0.0.1", 9999)
server.bind(server_address)
server.listen(5)
print "服务器启动成功，监听IP：" , server_address
message_queues = {}
 #超时，毫秒
timeout = 5000  
#监听哪些事件
READ_ONLY = ( select.POLLIN | select.POLLPRI | select.POLLHUP | select.POLLERR)
READ_WRITE = (READ_ONLY|select.POLLOUT)
#新建轮询事件对象
poller = select.poll()
#注册本机监听socket到等待可读事件事件集合
poller.register(server,READ_ONLY)
#文件描述符到socket映射
fd_to_socket = {server.fileno():server,}
while True:
    print "等待活动连接......"
    #轮询注册的事件集合
    events = poller.poll(timeout)
    if not events:
      print "poll超时，无活动连接，重新poll......"
      continue
    print "有" , len(events), "个新事件，开始处理......"
    for fd ,flag in events:
        s = fd_to_socket[fd]
        #可读事件
        if flag & (select.POLLIN | select.POLLPRI) :
            if s is server :
                #如果socket是监听的server代表有新连接
                connection , client_address = s.accept()
                print "新连接：" , client_address
                connection.setblocking(False)
                   
                fd_to_socket[connection.fileno()] = connection
                #加入到等待读事件集合
                poller.register(connection,READ_ONLY)
                message_queues[connection] = Queue.Queue()
            else :
                #接收客户端发送的数据
                data = s.recv(1024)
                if data:
                    print "收到数据：" , data , "客户端：" , s.getpeername()
                    message_queues[s].put(data)
                    #修改读取到消息的连接到等待写事件集合
                    poller.modify(s,READ_WRITE)
                else :
                    # Close the connection
                    print " closing" , s.getpeername()
                    # Stop listening for input on the connection
                    poller.unregister(s)
                    s.close()
                    del message_queues[s]
        #连接关闭事件
        elif flag & select.POLLHUP :
            print " Closing ", s.getpeername() ,"(HUP)"
            poller.unregister(s)
            s.close()
        #可写事件
        elif flag & select.POLLOUT :
            try:
                msg = message_queues[s].get_nowait()
            except Queue.Empty:
                print s.getpeername() , " queue empty"
                poller.modify(s,READ_ONLY)
            else :
                print "发送数据：" , data , "客户端：" , s.getpeername()
                s.send(msg)
        #异常事件
        elif flag & select.POLLERR:
            print " exception on" , s.getpeername()
            poller.unregister(s)
            s.close()
            del message_queues[s]

3、epoll

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。先对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理过个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪状态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用"事件"的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

使用epoll的优点：

没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口)；
效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即epoll最大的优点就在于它只管你"活跃"的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，epoll的效率就会远远高于select和poll；
内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递，即epoll使用mmap减少

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT(level trigger)和ET(edge trigger)。LT模式是默认的模式，LT模式与ET模式的区别如下：

LT模式（缺省工作模式）：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件；
ET模式（高速工作模式）：当epoll_wait检测到描述符事件发生将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

下面举一个epoll事件处理的方式，来监听socket套接字的变化，请看下面代码：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import socket, select
import Queue
  
serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
serversocket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
server_address = ("127.0.0.1", 9999)
serversocket.bind(server_address)
serversocket.listen(1)
print "服务器启动成功，监听IP：" , server_address
serversocket.setblocking(0)
timeout = 10
#新建epoll事件对象，后续要监控的事件添加到其中
epoll = select.epoll()
#添加服务器监听fd到等待读事件集合
epoll.register(serversocket.fileno(), select.EPOLLIN)
message_queues = {}
  
fd_to_socket = {serversocket.fileno():serversocket,}
while True:
  print "等待活动连接......"
  #轮询注册的事件集合
  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]
     #可读事件
     if event & select.EPOLLIN:
         #如果活动socket为服务器所监听，有新连接
         if socket == serversocket:
            connection, address = serversocket.accept()
            print "新连接：" , address
            connection.setblocking(0)
            #注册新连接fd到待读事件集合
            epoll.register(connection.fileno(), select.EPOLLIN)
            fd_to_socket[connection.fileno()] = connection
            message_queues[connection] = Queue.Queue()
         #否则为客户端发送的数据
         else:
            data = socket.recv(1024)
            if data:
               print "收到数据：" , data , "客户端：" , socket.getpeername()
               message_queues[socket].put(data)
               #修改读取到消息的连接到等待写事件集合
               epoll.modify(fd, select.EPOLLOUT)
     #可写事件
     elif event & select.EPOLLOUT:
        try:
           msg = message_queues[socket].get_nowait()
        except Queue.Empty:
           print socket.getpeername() , " queue empty"
           epoll.modify(fd, select.EPOLLIN)
        else :
           print "发送数据：" , data , "客户端：" , socket.getpeername()
           socket.send(msg)
     #关闭事件
     elif event & select.EPOLLHUP:
        epoll.unregister(fd)
        fd_to_socket[fd].close()
        del fd_to_socket[fd]
epoll.unregister(serversocket.fileno())
epoll.close()
serversocket.close()

二、多线程

多线程,多进程:
    1,一个应用程序,可以有多进程和多线程
    2,默认:单进程,单线程
    3,单进程，多线程下:
                 python多线程：IO操作是不会占用CPU，多线程会提高并发
                                          计算性操作，占用CPU，多进程提高并发

    4,GIL,全局解释器锁

首先我们先看一个多线程的例子，然后在详细介绍，请看代码：

#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
 
import time                                 #多线程的程序
 
def f1(args):
    time.sleep(5)
    print(args)
 
import threading
 
t= threading.Thread(target=f1,args=(123,))  #创建子线程
t.setDaemon(True)                           #True表示主线程不等子线程
t.start()                                   #不代表当前线程会被立即执行
t.join(2)                                   #表示主线程到此，等待...直到子线程执行完毕，
                                            #参数，表示主线程在此最多等N秒
print('end')

上面这个例子是开启一个线程，主线程最多等子线程两分钟的时间然后执行。下面我们一起看下threading的更多方法：

start 线程准备就绪，等待CPU调度；
setName 为线程设置名称；
getName 获取线程名称；
setDaemon 设置为后台线程或前台线程（默认），是否等待子线程，值为True或False;
join 逐个执行每个线程，执行完毕后据需往下执行，该方法使得多线程变得无意义；
run 线程被CPU调度后自动执行线程对象的run方法。

#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
 
import threading
import time
 
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self,num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num
    def run(self):         #定义每个线程要运行的函数
        print('running on number:%s'%self.num)
        time.sleep(2)
 
if __name__=='__main__':
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()
 
#结果：
running on number:1
running on number:2

多线程先介绍到这里，下篇博客在详细介绍，多线程，多进程和协程的用法。

三、知识点补充

1，python作用域

通过两个简单的代码我们在来补充一下python作用域的问题，请看代码：

if 1==1:
    name = 'jack1'   #一个代码块
print(name)
 
def func():
    name = 'eric'
print(name)

name= 'jack'
def f1():
    print(name)
def f2():
    name = 'eric'
    return f1
ret = f2()
ret()

分析一下上面代码的执行结果，在第一个例子中函数中的eric是无法输出的，因为python中函数为作用域的，在Python中无块级作用域，python中以函数为作用域，而在Java或C#中存在块级作用域。

python作用域链，由内向外找，直到找不到报错，并且python作用域在代码执行之前已经确定，原定义的那个作用域，就去那个作用域里找。

python和JavaScript的作用域是类似的，武sir大神给我们总结了五句话，方便理解作用域，详细介绍请参考链接：

http://www.cnblogs.com/wupeiqi/p/5649402.html

2，XX公司面试题

li = [lambda :x for x in range(10)]
#li列表
#li列表中的元素：[函数、函数、函数.....]
#函数在没有执行前，内部代码不执行
#li[0]是个函数
#执行第一个函数()
#返回值是？？？
r = li[0]()
print(r)

我们一起分析一下这个程序的结果是什么，这用到了我们上面补充的作用域知识，我们可以先将lambda函数修改成正常函数的方式，在一步一步分析：

#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
 
for x in range(10):
    def test():
        return x
 
ret=test()
print ret

因为python的作用域为函数，在函数中为局部作用域，定义在函数外的为全局作用域，因为python作用域在代码执行之前已经确定，原定义的那个作用域，就去那个作用域里找，这里的结果为9。

今天就介绍到这里，我们今天主要介绍了I/O多路复用的知识和多线程的定义，虽然I/O多路复用在我们平常写代码的时候用的比较少，但我们理解了后，方便我们以后去读懂源码。

posted @ 2016-07-15 15:01 邸海峰阅读(400) 评论(1) 编辑收藏举报

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