42---IO模型

Posted 2021-02-21 kathrine

目录

• 一 IO模型
  • 1.1 网络IO模型有很多，它们都是为了解决一个问题：减少IO等待时间，提高计算机效率
  • 1.2 IO发生时涉及到的两个对象：
  • 1.3 产生IO的行为
• 二 网络IO模型
  • 2.1 阻塞IO
  • 2.2 非阻塞IO
  • 2.3 多路复用IO
  • 2.4 异步IO
• 三 总结

参考博客：https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/7454717.html

一 IO模型

1.1 网络IO模型有很多，它们都是为了解决一个问题：减少IO等待时间，提高计算机效率

• 应用程序遇到IO操作，会阻塞在原地等待，这样降低了计算机的执行效率。
• 为了解决这个问题，先后出现了多种IO模型。

# 阻塞IO		blocking IO           
# 非阻塞IO		nonblocking IO      
# 多路复用IO	IO multiplexing      
# 信号驱动IO	signal driven IO     
# 异步IO		asynchronous IO    
由signal driven IO（信号驱动IO）在实际中并不常用，所以主要介绍其余四种IO Model。

1.2 IO发生时涉及到的两个对象：

• 一个是调用这个IO的任务对象（线程或进程）
• 一个是系统内核（可以简单理解为操作系统）
• IO模型的不同，主要体现在如何处理这以下两个阻塞阶段上

# IO操作时，两个对象之间存在两个行为阶段(两个阻塞阶段)：
- 等待数据 wait data (Waiting for the data to be ready)
- 拷贝数据 copy data (Copying the data from the kernel to the process)

1.3 产生IO的行为

1、被动等待接受：read、readv、recv、recvfrom、recvmsg、accept
2、主动发送数据：write、writev、send、sendto、sendmsg、connect

# 网络IO主要表现在 accept、recv、recvfrom
# 被动等待数据的时间一般很长，这就是IO操作遇到阻塞的主要原因。
# 不论是收数据还是发送数据，都是直接跟自己的操作系统打交道，问自己的OS要数据或将数据交给OS发出去。
# 因此被动等数据的时间很长，主动发数据就很容易，因此可以不考虑send这种网络IO(忽略不计)。

二 网络IO模型

2.1 阻塞IO

默认所有IO都是阻塞IO。

• 阻塞IO时：完完全全经历了wait data 和copy data两个阻塞阶段，等待时间最长。
• 解决办法：开多线程或多进程，同时处理多个客户端的请求，再设置半连接池和进程池（线程池）。
• 缺点：系统硬件资源有限，不可能无限制的开多进程或多线程。
• 适用：适用在小规模的并发服务请求。
  

2.2 非阻塞IO

可以将socket设置为非阻塞模式，此时accept和recv就不会再原地等待了。

server.setblocking(False)	# 默认是True, 为阻塞IO

• 非阻塞IO时，在wait data 阶段，应用程序可以干点别的事情，不会傻傻的原地等待，只是时不时地询问一下数据是否来到（轮询）；数据到了后再经历 copy data 阻塞阶段获取数据。此时，只经历了copy data阻塞阶段。
• 解决办法：通过轮询的方式避免wait copy阶段的阻塞时间。
• 缺点：<1> 轮询（长时间处于死循环状态）严重消耗硬件资源。<2> 轮询造成响应时间延长了。
• 不推荐使用。

2.3 多路复用IO

多路复用IO，是将轮询的任务单独拎出来，交给一个‘中介‘监管。应用程序只要向这个‘中介‘询问一次，‘中介‘就帮你等待，等数据到了再通知你过来取数据。相当于你向中介找房子，中介帮你等房源；等房源到了之后再通知你去看房。

• 监管机制：监管机制（即‘中介‘）是操作系统内部的机制，可以调用select模块实现。

import select
r_list = [server]	# 将待监管的对象放在一起，交给select帮我们监管起来，后面的conn对象再放进去
readable_list, *_ = select.select(read_list, [], [])

• 解决方法：监管机制，app无需经历wait data阻塞阶段，也不一直占用CPU资源（‘中介‘帮忙等数据）。
• 优点：单线程（或进程）实现并发，降低IO等待时间。只经历copy data阻塞阶段。
• 缺点：
  • <1> 当并发规模过大时，造成响应延迟（遍历可读列表需要耗时增加）;
  • <2> 监管对象极少时不如阻塞IO的多线程并发。
• 适用：中等规模并发服务请求。
• 强调：应用程序不经历wait data 阻塞阶段，但整个进程或线程是被select阻塞的。
  

# 监管机制其实有很多
select机制  windows linux都有
poll机制    只在linux有   poll和select都可以监管多个对象 但是poll监管的数量更多

上述select和poll机制其实都不是很完美 当监管的对象特别多的时候,可能会出现 极其大的延时响应
epoll机制   只在linux有
	它给每一个监管对象都绑定一个回调机制
	一旦有响应 回调机制立刻发起提醒

针对不同的操作系统还需要考虑不同检测机制 书写代码太多繁琐
有一个人能够根据你跑的平台的不同自动帮你选择对应的监管机制

# selectors模块

2.4 异步IO

异步IO通过异步提交任务 + 回调机制的方式降低阻塞等待时间。

• 原理：任务异步替提交后，不做任何等待，直接处理其他任务。相当于，我向中介找房子，中介接到任务后开始等待房源；等房源到了之后他自己主动先去看房，看房结束后，主动告诉我说好了可以去住了。
• 操作系统收到数据后，主动将数据拷贝给app内存，然后通知app说数据好了，app不经历 copy data阻塞阶段。
• 异步IO，应用程序不经历 wait data 和 copy data 两个阻塞阶段。
• 优点：异步IO模型是所有模型中效率最高的，也是使用最广泛的
  

# 相关的模块和框架
- 模块:asyncio模块
- 异步框架:sanic tronado twisted

三 总结

• 阻塞IO， 经历两个阻塞阶段，可以用多线程（进程）实现小规模并发
• 非阻塞IO，经历一个阻塞阶段，死循环严重消耗CPU资源，不推荐
• 多路复用IO，经历两个阻塞阶段，通过监管机制，实现单线程内中等规模并发
• 异步IO，不经历阻塞阶段，异步加回调机制，实现大规模高并发