I/O 多路复用之select、poll、epoll详解

　　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，一个进程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。

1.select

　　select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述副就绪（有数据 可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以 通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

　　select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。select的一 个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

　　select有3个缺点：

　　　　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。

　　　　每次调用select后，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。

　　　　fd数量有限，默认1024。

　python select格式：

rList,wList,eList = select.select(argv1,argv2,argv3,timeout)

参数：
    argv1 标准输入
    argv2 如果监听序列中句柄发生变化 则将变化句柄返回至wList
    argv3 如果监听序列中句柄有错误时 则将错误句柄返回到eList
    timeout 设置阻塞时间，如果为2那么将阻塞2s，如果不设置则默认一直阻塞，直到监听的描述符发生变化

　测试代码：客户端发送任何内容，服务端会原模原样返回

import socket
import select
import queue

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.setblocking(False)
server_address = ('localhost', 1234)
server.bind(server_address)
server.listen(5)

inputs = [server] # 读事件
outputs = []  # 写事件
exceptions = []  # 异常事件
msg_queues = {} #每个socket有一个发送消息的队列

print("server is listening on %s:%s." % server_address)
while inputs:
    #  第四个参数是timeout，可选，表示n秒内没有任何事件通知，就执行下面代码
    readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, exceptions)
    for sock in readable:
        #  client向server发起connect也是读事件，server accept后产生socket加入读队列中
        if sock is server:
            conn, addr = sock.accept()
            conn.setblocking(False)
            inputs.append(conn)
            msg_queues[conn] = queue.Queue()
            print("server accepts a conn.")
        else:
            #  读取client发过来的数据，最多读取1k byte。
            data = sock.recv(1024)
            #  将收到的数据返回给client
            if data:
                msg_queues[sock].put(data)
                if sock not in outputs:
                    #  下次select的时候会触发写事件通知，写和读事件不太一样，前者是可写就会触发事件，并不一定要真的去写
                    outputs.append(sock)
            else:
                #  client传过来的消息为空，说明已断开连接
                print("server closes a conn.")
                if sock in outputs:
                    outputs.remove(sock)
                inputs.remove(sock)
                sock.close()
                del msg_queues[sock]
    for sock in writable:
        if not msg_queues[sock].empty():
            sock.send(msg_queues[sock].get_nowait())
        if msg_queues[sock].empty():
            outputs.remove(sock)
    for sock in exceptional:
        inputs.remove(sock)
        if sock in outputs:
            outputs.remove(sock)
        sock.close()
        del msg_queues[sock]

服务端

import socket
ip_port = ('localhost', 1234)

c = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
c.connect(ip_port)
while True:
    inp = input(">>>>:").strip()
    if not inp:
        continue
    c.send(inp.encode('utf-8'))  # 数据发给服务端，先进行编码
    data = c.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))  # 接收到服务端返回的数据，进行解码

c.close()

客户端

　　
2.poll

　poll本质上和select没有区别，只是没有了最大连接数(linux上默认1024个)的限制，原因是它基于链表存储的。 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

　从上面看，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

　在python中调用poll

3.epoll

　　epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

　　

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。(此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。)

epoll的优点主要是一下几个方面：
　　1. 监视的描述符数量不受限制，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。select的最大缺点就是进程打开的fd是有数量限制的。这对 于连接数量比较大的服务器来说根本不能满足。虽然也可以选择多进程的解决方案( Apache就是这样实现的)，不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。

　　2.IO的效率不会随着监视fd的数量的增长而下降。epoll不同于select和poll轮询的方式，而是通过每个fd定义的回调函数来实现的。只有就绪的fd才会执行回调函数。

　　3.如果没有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当遇到大量的idle- connection，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

import socket

EOL1 = b'\n\n'
EOL2 = b'\n\r\n'
response  = b'HTTP/1.0 200 OK\r\nDate: Mon, 1 Jan 1996 01:01:01 GMT\r\n'
response += b'Content-Type: text/plain\r\nContent-Length: 13\r\n\r\n'
response += b'Hello, world!'

serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
serversocket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
serversocket.bind(('0.0.0.0', 8080))
serversocket.listen(1)

try:
   while True:
      connectiontoclient, address = serversocket.accept()
      request = b''
      while EOL1 not in request and EOL2 not in request:
          request += connectiontoclient.recv(1024)
      print('-'*40 + '\n' + request.decode()[:-2])
      connectiontoclient.send(response)
      connectiontoclient.close()
finally:
   serversocket.close()

阻塞式socket通讯

　　上述代码的socket采用的是阻塞方式, 因为python解释器在出现事件之前都处在停止状态。

　　当一个程序采用阻塞socket的时候, 它经常采用一个线程(甚至一个进程)一个socket通讯的模式. 主线程保留服务器监听socket, 接受进来的连接, 一次接受一个连接, 然后把生成的socket交给一个分离的线程去做交互. 因为一个线程只和一个客户端通讯, 在任何位置的阻塞都不会造成问题. 阻塞本身不会影响其他线程的工作.

　　Linux 2.6有一些方式来管理异步socket, python API能够用的有3种: select, poll和epoll. epoll和poll比select性能更好, 因为python程序不需要为了特定的事件去查询单独的socket, 而是依赖操作系统来告诉你什么socket产生了什么事件. epoll比poll性能更好, 因为它不需要每次python程序查询的时候, 操作系统都去检查所有的socket, 在事件产生的时候, linux跟踪他们, 然后在python程序调用的时候, 返回具体的列表. 所以epoll在大量(上千)并行连接下, 是一种更有效率, 伸缩性更强的机制.

　　采用epoll的异步socket编程示例：

采用epoll的程序一般这样操作:

建立一个epoll对象
告诉epoll对象, 对于一些socket监控一些事件.
问epoll, 从上次查询以来什么socket产生了什么事件.
针对这些socket做特定操作.
告诉epoll, 修改监控socket和/或监控事件.
重复第3步到第5步, 直到结束.
销毁epoll对象.
采用异步socket的时候第3步重复了第2步的事情. 这里的程序更复杂, 因为一个线程需要和多个客户端交互.

#!/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

#!/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