IO模型

Posted 2020-10-29 世界辣么大

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了IO模型相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、阻塞IO（blocking IO）

　　　　默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程：

　　　　　　- blocking IO的特点：就是在IO执行的两个阶段（等待数据和拷贝数据两个阶段）都被block了。

　　　　　　 ps：所谓阻塞型接口是指系统调用（一般是IO接口）不返回调用结果并让当前线程一直阻塞，只有当该系统调用获得结果或者超时出错时才返回。

　　　　　　　　除非特别指定，几乎所有的IO接口 ( 包括socket接口 ) 都是阻塞型的。这给网络编程带来了一个很大的问题，如在调用recv(1024)的同时，

　　　　　　　　线程将被阻塞，在此期间，线程将无法执行任何运算或响应任何的网络请求。　　

　　　　　　- 多线程模型可以方便高效的解决小规模的服务请求，但面对大规模的服务请求，多线程模型也会遇到瓶颈，可以用非阻塞接口来尝试解决这个问题。

二、非阻塞IO(non-blocking IO)

　　　- 可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

　　　　　　- 从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。

　　　　　　从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，

　　　　　　它就知道数据还没有准备好，于是用户就可以在本次到下次再发起read询问的时间间隔内做其他事情，或者直接再次发送read操作。

　　　　　　一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存（这一阶段仍然是阻塞的），然后返回。

　　　　　　也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。

　　　　　　进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。

　　　　　　这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

#服务端
from socket import *

s=socket()
s.bind((\'127.0.0.1\',8080))
s.listen(5)
s.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞
conn_l=[]
del_l=[]
while True:
    try:
        conn,addr=s.accept()
        conn_l.append(conn)
    except BlockingIOError:
        print(conn_l)
        for conn in conn_l:
            try:
                data=conn.recv(1024)
                if not data:
                    del_l.append(conn)
                    continue
                conn.send(data.upper())
            except BlockingIOError:
                pass
            except ConnectionResetError:
                del_l.append(conn)

        for conn in del_l:
            conn_l.remove(conn)
            conn.close()
        del_l=[]

#客户端
from socket import *
c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
c.connect((\'127.0.0.1\',8080))

while True:
    msg=input(\'>>: \')
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode(\'utf-8\'))
    data=c.recv(1024)
    print(data.decode(\'utf-8\'))

非阻塞IO实例

　　　　　　 - 非阻塞式IO的特点：中用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据准备好了没有。

　　　　　　 优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在“同时”执行）。

　　　　　　 缺点：循环调用recv()将大幅度推高CPU占用率；任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，

　　　　　　　　　　而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

三、多路复用IO(IO multiplexing)

　　- 有些地方也称这种IO方式为事件驱动IO(event driven IO)，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系统调用(select和recvfrom)，

　　　　而blocking IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

#服务端
from socket import *
import select

s=socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind((\'127.0.0.1\',8081))
s.listen(5)
s.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞
read_l=[s,]
while True:
    r_l,_,_=select.select(read_l,[],[])
    print(r_l)
    for ready_obj in r_l:
        if ready_obj == s:
            conn,addr=ready_obj.accept() #此时的ready_obj等于s
            read_l.append(conn)
        else:
            try:
                data=ready_obj.recv(1024) #此时的ready_obj等于conn
                if not data:
                    ready_obj.close()
                    read_l.remove(ready_obj)
                    continue
                ready_obj.send(data.upper())
            except ConnectionResetError:
                ready_obj.close()
                read_l.remove(ready_obj)

#客户端
from socket import *
c=socket()
c.connect((\'127.0.0.1\',8081))

while True:
    msg=input(\'>>: \')
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode(\'utf-8\'))
    data=c.recv(1024)
    print(data.decode(\'utf-8\'))