并发编程-epoll模型的探索与实践

前言

我们知道nginx的效率非常高,能处理上万级的并发,其之所以高效离不开epoll的支持,

epoll是什么呢?,epoll是IO模型中的一种,属于多路复用IO模型;

到这里你应该想到了,select,的确select也是一种多路复用的IO模型,但是其单个select最多只能同时处理1024个socket,效率实在算不上高,这时候epoll来救场了

本文从阻塞IO模型的基础上展开讨论,一步步靠近epoll的实现原理,最后以一个简单的epoll案例程序作为结束

亲手写一个epoll,然后去虐面试官吧!

在select的学习过程中我们知道了select 只能同时处理1024个客户端,

而多线程会遇到资源瓶颈,什么才是解决高并发最有效的方式呢

linux中提供了epoll 这种高效的多路复用IO模型

注意其他平台没有相应的实现所以epoll仅在linux中可用

程序阻塞过程分析

epoll代码实现并不复杂,但是要搞清楚其高效的原理还是需要花一些时间的

我们从最原始的阻塞模型开始分析

假设系统目前运行了三个进程 A B C

进程A正在运行一下socket程序

server = socket.socket()
server.bind(("127.0.0.1",1688))
server.listen()
server.accept()

1.系统会创建文件描述符指向一个socket对象 ,其包含了读写缓冲区,已经进行等待队列

2.当执行到accept / recv 时系统会讲进程A 从工作队列中移除

3.将进程A的引用添加到 socket对象的等待队列中

进程的唤醒

1.当网卡收到数据后会现将数据写入到缓冲区

2.发送中断信号给CPU

3.CPU执行中断程序,将数据从内核copy到socket的缓冲区

4.唤醒进程,即将进程A切换到就绪态,同时从socket的等待队列中移除这个进程引用

select监控多个socket

select的实现思路比较直接

1.先将所有socket放到一个列表中,

2.遍历这个列表将进程A 添加到每个socket的等待队列中然后阻塞进程

3.当数据到达时,cpu执行中断程序将数据copy给socket 同时唤醒处于等待队列中的进程A

为了防止重复添加等待队列还需要移除已经存在的进程A

4.进程A唤醒后由于不清楚那个socket有数据,所以需要遍历一遍所有socket列表

从上面的过程中不难看出

1.select,需要遍历socket列表,频繁的对等待队列进行添加移除操作,

2.数据到达后还需要给变量所有socket才能获知哪些socket有数据

两个操作消耗的时间随着要监控的socket的数量增加而大大增加,

处于效率考虑才规定了最大只能监视1024个socket

epol要解决的问题

1.避免频繁的对等待队列进行操作

2.避免遍历所有socket

对于第一个问题我们先看select的处理方式

while True:
	r_list,w_list,x_list = select.select(rlist,wlist,xlist)

每次处理完一次读写后,都需要将所有过冲重复一遍,包括移除进程,添加进程,默认就会将进程添加到等待队列,并阻塞住进程,然而等待队列的更新操作并不频繁,

所以对于第一个问题epoll采取的方案是,将对等待队列的维护和,阻塞进程这两个操作进行拆分,

第二个问题是select中进程无法获知哪些socket是有数据的所以需要遍历

epol为了解决这个问题,在内核中维护了一个就绪列表,

1.创建epoll对象,epoll也会对应一个文件,由文件系统管理

2.执行register时,将epoll对象添加到socket的等待队列中

3.数据到达后,CPU执行中断程序,将数据copy给socket

4.在epoll中,中断程序接下来会执行epoll对象中的回调函数,传入就绪的socket对象

5.将socket,添加到就绪列表中

6.唤醒epoll等待队列中的进程,

进程唤醒后,由于存在就绪列表,所以不需要再遍历socket了,直接处理就绪列表即可

解决了这两个问题后,并发量得到大幅度提升,最大可同时维护上万级别的socket

epoll相关函数

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

案例:

#coding:utf-8
#客户端
#创建客户端socket对象
import socket
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',1688)
#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:')
    if data == "q":
        break
    if not data:
      continue
    #客户端发送数据
    clientsocket.send(data.encode("utf-8"))
    #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()

服务器:

# coding:utf-8
import socket, select

server = socket.socket()
server.bind(("127.0.0.1", 1688))
server.listen(5)

msgs = []


fd_socket = {server.fileno(): server}
epoll = select.epoll()
# 注册服务器的 写就绪
epoll.register(server.fileno(), select.EPOLLIN)

while True:
    for fd, event in epoll.poll():
        sock = fd_socket[fd]
        print(fd, event)
        # 返回的是文件描述符 需要获取对应socket
        if sock == server:  # 如果是服务器 就接受请求
            client, addr = server.accept()
            # 注册客户端写就绪
            epoll.register(client.fileno(), select.EPOLLIN)
            # 添加对应关系
            fd_socket[client.fileno()] = client

        # 读就绪
        elif event == select.EPOLLIN:
            data = sock.recv(2018)
            if not data:
                # 注销事件
                epoll.unregister(fd)
                # 关闭socket
                sock.close()
                # 删除socket对应关系
                del fd_socket[fd]
                print(" somebody fuck out...")
                continue

            print(data.decode("utf-8"))
            # 读完数据 需要把数据发回去所以接下来更改为写就绪=事件
            epoll.modify(fd, select.EPOLLOUT)
            #记录数据
            msgs.append((sock,data.upper()))
        elif event == select.EPOLLOUT:
            for item in msgs[:]:
                if item[0] == sock:
                    sock.send(item[1])
                    msgs.remove(item)
            # 切换关注事件为写就绪
            epoll.modify(fd,select.EPOLLIN)

注意:上述代码只能在linux下运行,因为epoll模型是linux内核提供的,上层代码无法实现!

posted @ 2019-07-08 18:11 CoderJerry 阅读(2423) 评论(0) 编辑收藏举报

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