python 3下基于select模型的事件驱动机制程序

Posted 2020-10-09

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。

     所以，IO multiplexing Model的特点就是两个阶段都阻塞，但是等待数据阻塞在select上，拷贝数据阻塞在recfrom上。

     

     在多路复用模型中，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。因此select()与非阻塞IO类似。

        大部分Unix/Linux都支持select函数，该函数用于探测多个文件句柄的状态变化。下面给出select接口的原型：
    FD_ZERO(int fd, fd_set* fds) 
    FD_SET(int fd, fd_set* fds) 
    FD_ISSET(int fd, fd_set* fds) 
    FD_CLR(int fd, fd_set* fds) 
    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, 
    struct timeval *timeout) 
    这里，fd_set 类型可以简单的理解为按 bit 位标记句柄的队列，例如要在某 fd_set 中标记一个值为16的句柄，则该fd_set的第16个bit位被标记为1。具体的置位、验证可使用 FD_SET、FD_ISSET等宏实现。在select()函数中，readfds、writefds和exceptfds同时作为输入参数和输出参数。如果输入的readfds标记了16号句柄，则select()将检测16号句柄是否可读。在select()返回后，可以通过检查readfds有否标记16号句柄，来判断该“可读”事件是否发生。另外，用户可以设置timeout时间。
    下面将重新模拟上例中从多个客户端接收数据的模型。

    

    图7 使用select()的接收数据模型

        述模型只是描述了使用select()接口同时从多个客户端接收数据的过程；由于select()接口可以同时对多个句柄进行读状态、写状态和错误状态的探测，所以可以很容易构建为多个客户端提供独立问答服务的服务器系统。如下图。

    

    图8 使用select()接口的基于事件驱动的服务器模型

        这里需要指出的是，客户端的一个 connect() 操作，将在服务器端激发一个“可读事件”，所以 select() 也能探测来自客户端的 connect() 行为。
    上述模型中，最关键的地方是如何动态维护select()的三个参数readfds、writefds和exceptfds。作为输入参数，readfds应该标记所有的需要探测的“可读事件”的句柄，其中永远包括那个探测 connect() 的那个“母”句柄；同时，writefds 和 exceptfds 应该标记所有需要探测的“可写事件”和“错误事件”的句柄 ( 使用 FD_SET() 标记 )。
    作为输出参数，readfds、writefds和exceptfds中的保存了 select() 捕捉到的所有事件的句柄值。程序员需要检查的所有的标记位 ( 使用FD_ISSET()检查 )，以确定到底哪些句柄发生了事件。
    上述模型主要模拟的是“一问一答”的服务流程，所以如果select()发现某句柄捕捉到了“可读事件”，服务器程序应及时做recv()操作，并根据接收到的数据准备好待发送数据，并将对应的句柄值加入writefds，准备下一次的“可写事件”的select()探测。同样，如果select()发现某句柄捕捉到“可写事件”，则程序应及时做send()操作，并准备好下一次的“可读事件”探测准备。下图描述的是上述模型中的一个执行周期。

    

    图9 多路复用模型的一个执行周期

        这种模型的特征在于每一个执行周期都会探测一次或一组事件，一个特定的事件会触发某个特定的响应。我们可以将这种模型归类为“事件驱动模型”。
    相比其他模型，使用select() 的事件驱动模型只用单线程（进程）执行，占用资源少，不消耗太多 CPU，同时能够为多客户端提供服务。如果试图建立一个简单的事件驱动的服务器程序，这个模型有一定的参考价值。
    但这个模型依旧有着很多问题。首先select()接口并不是实现“事件驱动”的最好选择。因为当需要探测的句柄值较大时，select()接口本身需要消耗大量时间去轮询各个句柄。很多操作系统提供了更为高效的接口，如linux提供了epoll，BSD提供了kqueue，Solaris提供了/dev/poll，…。如果需要实现更高效的服务器程序，类似epoll这样的接口更被推荐。遗憾的是不同的操作系统特供的epoll接口有很大差异，所以使用类似于epoll的接口实现具有较好跨平台能力的服务器会比较困难。
    其次，该模型将事件探测和事件响应夹杂在一起，一旦事件响应的执行体庞大，则对整个模型是灾难性的。如下例，庞大的执行体1的将直接导致响应事件2的执行体迟迟得不到执行，并在很大程度上降低了事件探测的及时性。

    

    图10 庞大的执行体对使用select()的事件驱动模型的影响

        幸运的是，有很多高效的事件驱动库可以屏蔽上述的困难，常见的事件驱动库有libevent库，还有作为libevent替代者的libev库。这些库会根据操作系统的特点选择最合适的事件探测接口，并且加入了信号(signal) 等技术以支持异步响应，这使得这些库成为构建事件驱动模型的不二选择。下章将介绍如何使用libev库替换select或epoll接口，实现高效稳定的服务器模型。

        实际上，Linux内核从2.6开始，也引入了支持异步响应的IO操作，如aio_read, aio_write，这就是异步IO。

 

    python下则是将其封装了, 对返回值做了修改, 相比较原来在C下的返回值(一个整型, 判断是否调用成功), python下的调用返回值则是直接返回的可读, 可写, 异常状态序列。C中的可读, 可写, 异常状态的序列, 则是直接将其写入了参数里面, 也就是说输入输出参数都是一样的, python这样的封装设计还是很不错的。我设计了一个粗陋的基于事件机制的select调用:

    服务器端:

import select
import socket
import queue
from time import sleep


class TCPServer:
    def __init__(self, server, server_address, inputs, outputs, message_queues):
        # Create a TCP/IP
        self.server = server
        self.server.setblocking(False)

        # Bind the socket to the port
        self.server_address = server_address
        print(‘starting up on %s port %s‘ % self.server_address)
        self.server.bind(self.server_address)

        # Listen for incoming connections
        self.server.listen(5)

        # Sockets from which we expect to read
        self.inputs = inputs

        # Sockets to which we expect to write
        # 处理要发送的消息
        self.outputs = outputs
        # Outgoing message queues (socket: Queue)
        self.message_queues = message_queues

    def handler_recever(self, readable):
        # Handle inputs
        # 循环判断是否有客户端连接进来, 当有客户端连接进来时select 将触发
        for s in readable:
            # 判断当前触发的是不是服务端对象, 当触发的对象是服务端对象时,说明有新客户端连接进来了
            # 表示有新用户来连接
            if s is self.server:
                # A "readable" socket is ready to accept a connection
                connection, client_address = s.accept()
                self.client_address = client_address
                print(‘connection from‘, client_address)
                # this is connection not server
                connection.setblocking(0)
                # 将客户端对象也加入到监听的列表中, 当客户端发送消息时 select 将触发
                self.inputs.append(connection)

                # Give the connection a queue for data we want to send
                # 为连接的客户端单独创建一个消息队列，用来保存客户端发送的消息
                self.message_queues[connection] = queue.Queue()
            else:
                # 有老用户发消息, 处理接受
                # 由于客户端连接进来时服务端接收客户端连接请求，将客户端加入到了监听列表中(input_list), 客户端发送消息将触发
                # 所以判断是否是客户端对象触发
                data = s.recv(1024)
                # 客户端未断开
                if data != b‘‘:
                    # A readable client socket has data
                    print(‘received "%s" from %s‘ % (data, s.getpeername()))
                    # 将收到的消息放入到相对应的socket客户端的消息队列中
                    self.message_queues[s].put(data)
                    # Add output channel for response
                    # 将需要进行回复操作socket放到output 列表中, 让select监听
                    if s not in self.outputs:
                        self.outputs.append(s)
                else:
                    # 客户端断开了连接, 将客户端的监听从input列表中移除
                    # Interpret empty result as closed connection
                    print(‘closing ‘, s.getpeername())  # 获取客户端的socket信息
                    # Stop listening for input on the connection
                    if s in self.outputs:
                        self.outputs.remove(s)
                    self.inputs.remove(s)
                    s.close()

                    # Remove message queue
                    # 移除对应socket客户端对象的消息队列
                    del self.message_queues[s]
            return "got it"

    def handler_send(self, writable):
        # Handle outputs
        # 如果现在没有客户端请求, 也没有客户端发送消息时, 开始对发送消息列表进行处理, 是否需要发送消息
        # 存储哪个客户端发送过消息
        for s in writable:
            try:
                # 如果消息队列中有消息,从消息队列中获取要发送的消息
                message_queue = self.message_queues.get(s)
                send_data = ‘‘
                if message_queue is not None:
                    send_data = message_queue.get_nowait()
            except queue.Empty:
                # 客户端连接断开了
                self.outputs.remove(s)
            else:
                # print "sending %s to %s " % (send_data, s.getpeername)
                # print "send something"
                if message_queue is not None:
                    s.send(send_data)
                else:
                    print("client has closed")
                # del message_queues[s]
                # writable.remove(s)
                # print "Client %s disconnected" % (client_address)
            return "got it"

    def handler_exception(self, exceptional):
        # # Handle "exceptional conditions"
        # 处理异常的情况
        for s in exceptional:
            print(‘exception condition on‘, s.getpeername())
            # Stop listening for input on the connection
            self.inputs.remove(s)
            if s in self.outputs:
                self.outputs.remove(s)
            s.close()

            # Remove message queue
            del self.message_queues[s]
            return "got it"


def event_loop(tcpserver, inputs, outputs):
    while inputs:
        # Wait for at least one of the sockets to be ready for processing
        print(‘waiting for the next event‘)
        # 开始select 监听, 对input_list 中的服务器端server 进行监听
        # 当socket调用send, recv等函数时, 就会再次调用此函数, 这时返回的第二个参数就会有值
        readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)
        if readable is not None:
            tcp_recever = tcpserver.handler_recever(readable)
            if tcp_recever == ‘got it‘:
                print("server have received")
        if writable is not None:
            tcp_send = tcpserver.handler_send(writable)
            if tcp_send == ‘got it‘:
                print("server have send")
        if exceptional is not None:
            tcp_exception = tcpserver.handler_exception(exceptional)
            if tcp_exception == ‘got it‘:
                print("server have exception")

        sleep(0.8)


if __name__ == ‘__main__‘:
    server_address = (‘localhost‘, 8090)
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    inputs = [server]
    outputs = []
    message_queues = {}
    tcpserver = TCPServer(server, server_address, inputs, outputs, message_queues)
    # 开启事件循环
    event_loop(tcpserver, inputs, outputs)

 

客户端:

import socket


messages = [‘This is the message ‘, ‘It will be sent ‘, ‘in parts ‘, ]

server_address = (‘localhost‘, 8090)

# Create aTCP/IP socket

socks = [socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM), socket.socket(socket.AF_INET,  socket.SOCK_STREAM), ]

# Connect thesocket to the port where the server is listening

print(‘connecting to %s port %s‘ % server_address)
# 连接到服务器
for s in socks:
    s.connect(server_address)

for index, message in enumerate(messages):
    # Send messages on both sockets
    for s in socks:
        print(‘%s: sending "%s"‘ % (s.getsockname(), message + str(index)))
        send_data = message + str(index)
        s.sendall(bytes(send_data, encoding=‘utf-8‘))
    # Read responses on both sockets

for s in socks:
    data = s.recv(1024)
    print(‘%s: received "%s"‘ % (s.getsockname(), data))
    if data != "":
        print(‘closingsocket‘, s.getsockname())
        s.close()

从结果可以看到, 客户端会发送空字符过来, 查了下资料, 这是客户端在确定是否断开, 服务器端加个判断就行。
运行截图:

参考:

    http://www.cnblogs.com/diegodu/p/3977739.html    Unix 网络编程 I/O 模型 第六章

    http://www.cnblogs.com/lancidie/archive/2011/12/13/2286408.html   【解决】Select网络模型问题——奇怪的发送接收问题