网络编程之IO模型

IO模型的分类

　blocking IO：阻塞IO

　nonblocking IO：非阻塞IO

　IO multiplexing：IO多路复用

　signal driven IO：异步IO

通常情况下IO默认操作分为两个阶段（默认都是阻塞IO）

　　　　1.准备等待数据阶段，相当于请求操作系统是否有数据发送过来（调用IO操作）。

　　　　2.将数据从内核缓存拷贝到进程缓存中。

一 socket里面的阻塞

　在socket的server端是有三个阻塞的。

　前两个阻塞的原因是：接收数据和连接，recv接收数据和accept建立连接的时候是有IO阻塞的，分为两步，1是：等待数据的准备，也就是从客户端发送连接，但是需要通过网卡发送到服务端的操作系统的内存空间，这一步是耗时时间比较长的；2是：操作系统拿到数据后还需要拷贝到程序的内存空间的。

　　因为IO模型的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

　后面那一个send：操作也有两步：1，将数据从程序的课程中拷贝到操作系统的内存空间；2再将数据通过网卡传输到客户端，这一步还是有网络延迟的，但是与服务端的IO没有关系，也就是说send发送是的IO是比较小的。因为send发送数据是只有将数据拷贝到操作系统的内存空间就不管了，因此send的IO时间是比较短的。

二 阻塞IO（blocking IO）

　　时间上的等待就是阻塞IO。而多进程，多线程和协程都没有完全的解决IO。

如下：

　　阻塞IO工作原理（）：

　　　　　　当用户进程调用了recvfrom这个系统调用（相当于用户进程发送请求像操作系统要数据），kernel就开始了IO的第一个阶段：准备　　　　数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达，这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除　　　　　　block的状态，重新运行起来。所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

三 非阻塞IO（nonblocking IO）

　为了降低IO的阻塞，如果遇到了IO，就会切换到另一个任务去执行。但是这样占用cpu过高

　　socket.setblocking:设置阻塞IO和非阻塞IO。需要传入一个参数，这个参数默认为True，也就是阻塞。如果将这个参数改成False，就可以成为非阻塞。但是不推荐用。这个的功能就是响应延迟增大，可以自己检测IO。

　　BlockingIOError：就是IO异常。

服务端：

from socket import *
import time
s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
s.bind(('127.0.0.1',8083))
s.listen(5)
s.setblocking(False)
conn_l=[]
while True:
    try:
        conn,addr=s.accept()
        print('%s:%s' %(addr[0],addr[1]))
        conn_l.append(conn)
    except BlockingIOError:
        del_l=[]
        print('没有数据来')
        #基于建立好的连接收发消息
        print(len(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:
                conn.close()
                del_l.append(conn)

        for conn in del_l:
            conn_l.remove(conn)

客户端 ：

from socket import *

c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1',8083))

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

　在Linux操作系统可以通过设置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

　　　　　　　　

　非阻塞IO工作原理：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，于是它可以再次发送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，然后返回。所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。如果数据还没准备好，此　　时会返回一个error。进程在接收到error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。

四 IO多路复用（IO multiplexing）

　就是使用select模块检测行为；同时检测多个套接字的IO阻塞。

　　select模型：就是循环的询问，也就是遇到IO循环的切换执行。但是在单个套接字时，遇到IO还是需要等待的。检测到的只有准备数据的时间的IO

　　poll模型：和select模型差不多，主要是增加了检测的数目

　　epoll模型：等待响应。谁好了，就给一个响应，然后在去执行，不过windows系统不支持。

IO多路复用都是基于多个套接字的使用。如果在单套接字下，IO多路复用的效率比阻塞IO还要低。

　select模块

　　select.select:

　　select方法里的timeout：等待时间

　　　　rlist：读到列表里面的数据，列表里面放的是需要检测的套接字。

　　　　wlist：写到列表里面的数据。如果没有数据可以传入一个空的列表

　　　　xlist：如果没有数据剋有传入一个空的列表

　　select返回的结果是一个元组的格式，元组里面有三个列表。

服务端：

from socket import *
import select
import time
s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
s.bind(('127.0.0.1',8085))
s.listen(5)
s.setblocking(False)
read_list=[s,]
while True:
    print('检测的套接字数%s' %len(read_list))
    r_l,_,_=select.select(read_list,[],[])
    # print('准备好数据的套接字数%s' %len(r_l))
    for obj in r_l:
        if obj == s:
            conn,addr=obj.accept()
            read_list.append(conn)
            print('客户端ip:%s,端口:%s' %(addr[0],addr[1]))
        else:
            try:
                data=obj.recv(1024)
                if not data:
                    obj.close()
                    read_list.remove(obj)
                    continue
                obj.send(data.upper())
            except ConnectionResetError:
                obj.close()
                read_list.remove(obj)

客户端：

from socket import *

c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1',8085))

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

一般的情况下用_来接收没有用的内容。

　IO多路复用

　　　　　　1、以上情况只能应用于一个server处理一个客户sock，如果想让一个server处理多个客户sock那就要用到IO多路复用

　　　　　　2、多路复用流程图：

　　　　　　　　

　　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，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。

在windows下只支持python中的select阻塞,而在linux下是三者都支持。我们通过selectors模块python可以自动判断

　　　　　　使用什么阻塞方式。

　　　　

五 异步IO

应用程序不用等待，只是让操作系统有了结果响应一下，然后应用程序在从操作系统中拷贝数据。

六 selectors模块

IO复用：为了解释这个名词，首先来理解下复用这个概念，复用也就是共用的意思，这样理解还是有些抽象，为此，咱们来理解下复用在通信领域的使用，在通信领域中为了充分利用网络连接的物理介质，往往在同一条网络链路上采用时分复用或频分复用的技术使其在同一链路上传输多路信号，到这里我们就基本上理解了复用的含义，即公用某个“介质”来尽可能多的做同一类(性质)的事，那IO复用的“介质”是什么呢？为此我们首先来看看服务器编程的模型，客户端发来的请求服务端会产生一个进程来对其进行服务，每当来一个客户请求就产生一个进程来服务，然而进程不可能无限制的产生，因此为了解决大量客户端访问的问题，引入了IO复用技术，即：一个进程可以同时对多个客户请求进行服务。也就是说IO复用的“介质”是进程(准确的说复用的是select和poll，因为进程也是靠调用select和poll来实现的)，复用一个进程(select和poll)来对多个IO进行服务，虽然客户端发来的IO是并发的但是IO所需的读写数据多数情况下是没有准备好的，因此就可以利用一个函数(select和poll)来监听IO所需的这些数据的状态，一旦IO有数据可以进行读写了，进程就来对这样的IO进行服务。

理解完IO复用后，我们在来看下实现IO复用中的三个API(select、poll和epoll)的区别和联系

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制，I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。三者的原型如下所示：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

1.select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一个位数组，其大小限制为__FD_SETSIZE（1024），位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。第二三四参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组，这些参数既是输入参数也是输出参数，可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件，所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。timeout参数为超时时间，该结构会被内核修改，其值为超时剩余的时间。

select的调用步骤如下：

（1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fdset到内核空间

（2）注册回调函数__pollwait

（3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

（4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。

（5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll 来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数 据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

（6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

（7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是 current）进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout 指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

（8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

总结下select的几大缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

2．  poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。

poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，相比处理fdset来说，poll效率更高。poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。

3．直到Linux2.6才出现了由内核直接支持的实现方法，那就是epoll，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。epoll可以同时支持水平触发和边缘触发（Edge Triggered，只告诉进程哪些文件描述符刚刚变为就绪状态，它只说一遍，如果我们没有采取行动，那么它将不会再次告知，这种方式称为边缘触发），理论上边缘触发的性能要更高一些，但是代码实现相当复杂。epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。

epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll 和select和poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函 数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注 册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

　　对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定 EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝 一次。

　　对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在 epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调 函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（利用 schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，和select实现中的第7步是类似的）。

　　对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子, 在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结：

（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用 epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在 epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的 时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间，这就是回调机制带来的性能提升。

（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要 一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内 部定义的等待队列），这也能节省不少的开销。

select,poll,epoll这三种IO多路复用模型在不同的平台有着不同的支持，而epoll在windows下就不支持，好在我们有selectors模块，帮我们默认选择当前平台下最合适的

#服务端
from socket import *
import selectors

sel=selectors.DefaultSelector()
def accept(server_fileobj,mask):
    conn,addr=server_fileobj.accept()
    sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read)

def read(conn,mask):
    try:
        data=conn.recv(1024)
        if not data:
            print('closing',conn)
            sel.unregister(conn)
            conn.close()
            return
        conn.send(data.upper()+b'_SB')
    except Exception:
        print('closing', conn)
        sel.unregister(conn)
        conn.close()

server_fileobj=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server_fileobj.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
server_fileobj.bind(('127.0.0.1',8088))
server_fileobj.listen(5)
server_fileobj.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞
sel.register(server_fileobj,selectors.EVENT_READ,accept) #相当于网select的读列表里append了一个文件句柄server_fileobj,并且绑定了一个回调函数accept

while True:
    events=sel.select() #检测所有的fileobj，是否有完成wait data的
    for sel_obj,mask in events:
        callback=sel_obj.data #callback=accpet
        callback(sel_obj.fileobj,mask) #accpet(server_fileobj,1)

#客户端
from socket import *
c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1',8088))

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

各个IO模型比较图：