Python网络编程篇之select和epoll

Posted 2020-10-15 宁信

1. select 原理

在多路复?的模型中， ?较常?的有select模型和epoll模型。 这两个都是系统接?， 由操作系统提供。 当然， Python的select模块进?了更?级的封装。

?络通信被Unix系统抽象为?件的读写， 通常是?个设备， 由设备驱动程序提供， 驱动可以知道?身的数据是否可?。 ?持阻塞操作的设备驱动通常会实现?组?身的等待队列， 如读/写等待队列?于?持上层(?户层)所需的block或non-block操作。 设备的?件的资源如果可?（ 可读或者可写） 则会通知进程， 反之则会让进程睡眠， 等到数据到来可?的时候， 再唤醒进程。这些设备的?件描述符被放在?个数组中， 然后select调?的时候遍历这个数组， 如果对于的?件描述符可读则会返回改?件描述符。 当遍历结束之后，如果仍然没有?个可?设备?件描述符， select让?户进程则会睡眠， 直到等待资源可?的时候在唤醒， 遍历之前那个监视的数组。 每次遍历都是依次进?判断的。 

# -*- coding: utf-8 -*-
# 2017/11/25 22:55
# select 模拟一个socket server，注意socket必须在非阻塞情况下才能实现IO多路复用。
# 接下来通过例子了解select 是如何通过单进程实现同时处理多个非阻塞的socket连接的。
import select
import socket
import queue

server = socket.socket()
server.bind((‘localhost‘,9000))
server.listen(1000)

server.setblocking(False)  # 设置成非阻塞模式，accept和recv都非阻塞
# 这里如果直接 server.accept() ，如果没有连接会报错，所以有数据才调他们
# BlockIOError：[WinError 10035] 无法立即完成一个非阻塞性套接字操作。
msg_dic = {}
inputs = [server,]  # 交给内核、select检测的列表。
# 必须有一个值，让select检测，否则报错提供无效参数。
# 没有其他连接之前，自己就是个socket，自己就是个连接，检测自己。活动了说明有链接
outputs = []  # 你往里面放什么，下一次就出来了

while True:
    readable, writeable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)  # 定义检测
    #新来连接                                        检测列表         异常（断开）
    # 异常的也是inputs是： 检测那些连接的存在异常
    print(readable,writeable,exceptional)
    #[<socket.socket fd=500, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(‘127.0.0.1‘, 9000), raddr=(‘127.0.0.1‘, 61685)>] [] []
    for r in readable:
        if r is server:  # 有数据，代表来了一个新连接
            conn, addr = server.accept()
            print("来了个新连接",addr)
            inputs.append(conn)  # 把连接加到检测列表里，如果这个连接活动了，就说明数据来了
            # inputs = [server.conn] # 【conn】只返回活动的连接，但怎么确定是谁活动了
            # 如果server活动，则来了新连接，conn活动则来数据
            msg_dic[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
        else:
            try :
                data = r.recv(1024)  # 注意这里是r，而不是conn，多个连接的情况
                print("收到数据",data)
                # r.send(data) # 不能直接发，如果客户端不收，数据就没了
                msg_dic[r].put(data)  # 往里面放数据
                outputs.append(r)  # 放入返回的连接队列里
            except ConnectionResetError as e:
                print("客户端断开了",r)
                if r in outputs:
                    outputs.remove(r) #清理已断开的连接
                inputs.remove(r) #清理已断开的连接
                del msg_dic[r] ##清理已断开的连接

    for w in writeable:  # 要返回给客户端的连接列表
        data_to_client = msg_dic[w].get()  # 在字典里取数据
        w.send(data_to_client)  # 返回给客户端
        outputs.remove(w)  # 删除这个数据，确保下次循环的时候不返回这个已经处理完的连接了。

    for e in exceptional:  # 如果连接断开，删除连接相关数据
        if e in outputs:
            outputs.remove(e)
        inputs.remove(e)
        del msg_dic[e]

客户端

# -*- coding: utf-8 -*-
# 2017/11/25 22:55
import socket
client = socket.socket()
client.connect((‘localhost‘, 9000))
while True:
    cmd = input(‘>>> ‘).strip()
    if len(cmd) == 0 : continue
    client.send(cmd.encode(‘utf-8‘))
    data = client.recv(1024)
    print(data.decode())
client.close()

优点

select?前?乎在所有的平台上?持， 其良好跨平台?持也是它的?个优点。

缺点

select的?个缺点在于单个进程能够监视的?件描述符的数量存在最?限制，在Linux上?般为1024， 可以通过修改宏定义甚?重新编译内核的?式提升这?限制， 但是这样也会造成效率的降低。?般来说这个数?和系统内存关系很?， 具体数?可以cat /proc/sys/fs/filemax察看。 32位机默认是1024个。 64位机默认是2048.对socket进?扫描时是依次扫描的， 即采?轮询的?法， 效率较低。当套接字?较多的时候， 每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度， 不管哪个Socket是活跃的， 都遍历?遍。 这会浪费很多CPU时间。 

2. epoll的优点：

1. 没有最?并发连接的限制， 能打开的FD(指的是?件描述符， 通俗的理解就是套接字对应的数字编号)的上限远?于1024

2. 效率提升， 不是轮询的?式， 不会随着FD数?的增加效率下降。 只有活跃可?的FD才会调?callback函数； 即epoll最?的优点就在于它只管你“活跃”的连接， ?跟连接总数?关， 因此在实际的?络环境中， epoll的效率就会远远?于select和poll。 说明

EPOLLIN （ 可读）

EPOLLOUT （ 可写）

EPOLLET （ ET模式）

epoll对?件描述符的操作有两种模式： LT（ level trigger） 和ET（ edge trigger） 。

LT模式是默认模式， LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式： 当epoll检测到描述符事件发?并将此事件通知应?程序， 应?程序可以不?即处理该事件
ET模式： 当epoll检测到描述符事件发?并将此事件通知应?程序， 应?程序必须?即处理

# -*- coding: utf-8 -*-
# 2017/11/26 13:54
import socket
import select
# 创建套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
# 设置可以重复使?绑定的信息
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
# 绑定本机信息
s.bind(("127.0.0.1",9000))
# 变为被动
s.listen(10)
# 创建?个epoll对象
epoll=select.epoll()

# 测试， ?来打印套接字对应的?件描述符
print(s.fileno())
print(select.EPOLLIN|select.EPOLLET)

# 注册事件到epoll中
# epoll.register(fd[, eventmask])
# 注意， 如果fd已经注册过， 则会发生异常
# 将创建的套接字添加到epoll的事件监听中
epoll.register(s.fileno(),select.EPOLLIN|select.EPOLLET)

connections = {}
addresses = {}

# 循环等待客户端的到来或者对?发送数据
while True:
    # epoll 进? fd 扫描的地? -- 未指定超时时间则为阻塞等待
    epoll_list=epoll.poll()
    # 对事件进?判断
    for fd,events in epoll_list:
        print(fd)
        print(events)
        # 如果是socket创建的套接字被激活
        if fd == s.fileno():
            conn,addr=s.accept()
            print(‘有新的客户端到来%s‘%str(addr))
            # 将 conn 和 addr 信息分别保存起来
            connections[conn.fileno()] = conn
            addresses[conn.fileno()] = addr
            # 向 epoll 中注册 连接 socket 的 可读 事件
            epoll.register(conn.fileno(), select.EPOLLIN | select.EPOLLET)
        elif events == select.EPOLLIN:
                # 从激活 fd 上接收
            recvData = connections[fd].recv(1024)
            if len(recvData)>0:
                print(‘recv:%s‘%recvData)
            else:
                # 从 epoll 中移除该 连接 fd
                epoll.unregister(fd)
                # server 侧主动关闭该 连接 fd
                connections[fd].close()
                print("%s---offline---"%str(addresses[fd]))

client

# -*- coding: utf-8 -*-
# 2017/11/25 22:55
import socket
client = socket.socket()
client.connect((‘127.0.0.1‘, 9000))
while True:
    cmd = input(‘>>> ‘).strip()
    if len(cmd) == 0 : continue
    client.send(cmd.encode(‘utf-8‘))
    data = client.recv(1024)
    print(data.decode())
client.close()