io模型

Posted 2020-09-29 一锅煮不下

首先我们来定义流的概念：

　　　　一个流可以是文件，socket，pipe等可以进行I/O操作的内核对象。不管是文件，还是套接字(socket)，还是管道(pipe)，我们都可以把他们看作流。

 

之后我们来讨论I/O操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流中写入数据。现在假定1种情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从socket读数据，但是服务器端还没有把数据传回来），这时候该怎么办？等呗，怎么等呢？下面写着

阻塞：阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你还不知道快递什么时候过来，而且你也没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打电话（假定一定能叫醒你）。我们在没有学习线程进程和yield前基本都是这样的阻塞程序

 

非阻塞忙轮询：接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他打个电话：“你到了没？”

 

    很明显一般人不会用第二种做法，不仅显得无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

    大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片。

    为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，B为管道的读出方。假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉B该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”。也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。

    这四种情形涵盖了四个I/O事件，内核缓冲区满，内核缓冲区空，内核缓冲区非空，内核缓冲区非满。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。（如果不能理解“同步”是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。

然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现可以同时处理多个流（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）

 我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。

    为了避免CPU空转，可以引进一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把“忙”字去掉了）。

i/o多路复用

 

 于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

异步i/o

 

    但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次说了这么多，终于能好好解释epoll了。

    epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll只会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的（复杂度降低到了O(1)）。

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

#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-

import socket
import select
import Queue

#创建socket对象
serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
#设置IP地址复用
serversocket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
#ip地址和端口号
server_address = ("127.0.0.1", 8888)
#绑定IP地址
serversocket.bind(server_address)
#监听，并设置最大连接数
serversocket.listen(10)
print  "服务器启动成功，监听IP：" , server_address
#服务端设置非阻塞
serversocket.setblocking(False)  
#超时时间
timeout = 10
#创建epoll事件对象，后续要监控的事件添加到其中
epoll = select.epoll()
#注册服务器监听fd到等待读事件集合
epoll.register(serversocket.fileno(), select.EPOLLIN)
#保存连接客户端消息的字典，格式为{}
message_queues = {}
#文件句柄到所对应对象的字典，格式为{句柄：对象}
fd_to_socket = {serversocket.fileno():serversocket,}

while True:
  print "等待活动连接......"
  #轮询注册的事件集合，返回值为[(文件句柄，对应的事件)，(...),....]
  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]
     #如果活动socket为当前服务器socket，表示有新连接
     if socket == serversocket:
            connection, address = serversocket.accept()
            print "新连接：" , address
            #新连接socket设置为非阻塞
            connection.setblocking(False)
            #注册新连接fd到待读事件集合
            epoll.register(connection.fileno(), select.EPOLLIN)
            #把新连接的文件句柄以及对象保存到字典
            fd_to_socket[connection.fileno()] = connection
            #以新连接的对象为键值，值存储在队列中，保存每个连接的信息
            message_queues[connection]  = Queue.Queue()
     #关闭事件
     elif event & select.EPOLLHUP:
        print \'client close\'
        #在epoll中注销客户端的文件句柄
        epoll.unregister(fd)
        #关闭客户端的文件句柄
        fd_to_socket[fd].close()
        #在字典中删除与已关闭客户端相关的信息
        del fd_to_socket[fd]
     #可读事件
     elif event & select.EPOLLIN:
        #接收数据
        data = socket.recv(1024)
        if data:
           print "收到数据：" , data , "客户端：" , socket.getpeername()
           #将数据放入对应客户端的字典
           message_queues[socket].put(data)
           #修改读取到消息的连接到等待写事件集合(即对应客户端收到消息后，再将其fd修改并加入写事件集合)
           epoll.modify(fd, select.EPOLLOUT)
     #可写事件
     elif event & select.EPOLLOUT:
        try:
           #从字典中获取对应客户端的信息
           msg = message_queues[socket].get_nowait()
        except Queue.Empty:
           print socket.getpeername() , " queue empty"
           #修改文件句柄为读事件
           epoll.modify(fd, select.EPOLLIN)
        else :
           print "发送数据：" , data , "客户端：" , socket.getpeername()
           #发送数据
           socket.send(msg)

#在epoll中注销服务端文件句柄
epoll.unregister(serversocket.fileno())
#关闭epoll
epoll.close()
#关闭服务器socket
serversocket.close()

服务端代码

#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-

import socket

#创建客户端socket对象
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\',8888)
#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:\')
    #客户端发送数据
    clientsocket.sendall(data)
    #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() 

客户端代码

 

 

本博客一般给自己看的

上面参考了http://www.cnblogs.com/maociping/p/5132583.html并整理了一下

 

其实还有一个更加好用的模块叫selectors

他会在我们调用i/o多路复用的时候根据现场环境自动的选择一个更有效率的方法

通常windows下只能使用select

而在linux下可以根据需求使用poll和epoll

我们编程也要考虑兼容性的，不可能到一个系统在编写一边吧，那样会哭的。

来自官网的解释

https://docs.python.org/3/library/selectors.html?highlight=selectors#module-selectors

 

import selectors
import socket

sel=selectors.DefaultSelector()#调用别名实例化

def accept(sock,mask):#定义一个socket监听方法
    conn,addr=sock.accept()#将socket实例化的socket对象给conn，addr
    print(\'accepted\',conn,\'from\',addr)#打印一下看看
    conn.setblocking(False)#设置conn为非阻塞
    sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read)#将接收到的conn进行监听绑定一个read方法，
def read(conn,mask):
    data = conn.recv(1000)#监听
    if data:
        print(\'echoing\' ,repr(data),\'to\',conn)#显示一下一字符串的方式的data
        conn.send(data)#将send发送回去
    else:
        print(\'closing\',conn)#打印‘关闭’,关闭conn
        sel.unregister(conn)#取消conn的监听释放资源
        conn.close()#关闭conn
sock=socket.socket()
sock.bind((\'localhost\',8088))
sock.listen(100)
sock.setblocking(False)
sel.refister(sock,selectors.EVENT_READ,accept)#将sock加入监听，添加accept方法
while True:
    events=sel.select()#这里开始进行监听
    for key,mask in events:
        callback=key.data##监听到的一个select提取当中key.data就是accept方法
        callback(key.fileobj,mask)#将key.fileobj也就是socket对象传进方法内

 

这里selectors是有层级关系的，他会根据当前系统环境优选择

类层结构优先级

+  -  SelectSelector   低
+  -  PollSelector 
+  -  EpollSelector 
+  -  DevpollSelector 
+  -  KqueueSelector   高

关于

sel.refister(sock,selectors.EVENT_READ,accept)中

不变	含义
EVENT_READ	可供阅读
EVENT_WRITE	可供写