python之路10：IO多路复用

1. IO模型
2. select模块
3. selectors模块

IO模型

网络IO的本质是socket的读取,socket在linux系统中被抽象为流,IO可以理解为对流的操作.对于一次IO访问,数据会先被拷到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间,所以说当一个read操作发生时,它会经理两个阶段:

第一阶段：等待数据准备；第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中

对socket流而言:第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

IO的模型大致有如下几种：

异步IO（asynchronous IO）

同步IO（synchronous IO） 

1. 阻塞IO（bloking IO）
2. 非阻塞IO（non-blocking IO）
3. 多路复用IO（multiplexing IO）
4. 信号驱动式IO（signal-driven IO）

同步阻塞 IO（blocking IO）

同步非阻塞 IO（nonblocking IO）

IO 多路复用（ IO multiplexing） 

信号驱动式 IO（signal-driven IO）

 异步非阻塞 IO（asynchronous IO）

五种模型总结

 　　

select模块

Python中有一个select模块，其中提供了：select、poll、epoll三个方法，分别调用系统的 select，poll，epoll 从而实现IO多路复用，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，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。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。如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

select(rlist, wlist, xlist, timeout=None)

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是readfds、writefds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。

应用：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
__author__ = 'BillyLV'

from socket import *
import select

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # ipv4, tcp
server.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)  # 端口重用
server.bind(('127.0.0.1', 8090))
server.listen(10)
server.setblocking(False)  # 设置socket的套接字为非阻塞
read_l = [server, ]  # 因为不只就那么一个列表要检测，所以不要在参数里面定死了
while True:
    r_l, w_l, x_l = select.select(read_l, [], [])
    print(r_l)  # 检测到有数据
    for ready_obj in r_l:
        if ready_obj == server:
            conn, addr = ready_obj.accept()  # accept要经历两个阶段，但是程序如果走到这一步，那肯定是数据准备好了
            # print(addr)
            read_l.append(conn)
        else:
            try:
                data = ready_obj.recv(1024)  # 此时的ready_obj等于conn
                if not data:
                    read_l.remove(ready_obj)
                    continue
                ready_obj.send(data.upper())
            except ConnectionResetError:
                read_l.remove(ready_obj)

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
__author__ = 'BillyLV'

from socket import *
client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # ipv4, tcp
client.connect(('127.0.0.1', 8091))
while True:
    msg = input('>>: ')
    if not msg:
        continue
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data = client.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

selectors模块

SelectPollEpoll这三种IO多路复用模型在不同的平台有着不同的支持，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。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。该模块允许基于所选模块原语的高水平和高效的IO多路复用。鼓励用户使用此模块，除非他们希望对所使用的操作系统级原语进行精确控制。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
__author__ = 'BillyLV'

import selectors
from socket import *

sel = selectors.DefaultSelector()  # 选择最佳实施


def accept(server_fileobj, mask):
    conn, addr = server_fileobj.accept()
    print('accepted', conn, 'from', addr)
    conn.setblocking(False)
    sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read)


def read(conn, mask):
    data = conn.recv(1024)
    if data:
        print('echoing', repr(data), 'to', conn)
        conn.send(data)
    else:
        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(('localhost', 2130))
server_fileobj.listen(200)
server_fileobj.setblocking(False)  # 设置socket的接口为非阻塞
# 相当于往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
sel.register(server_fileobj, selectors.EVENT_READ, 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)

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
__author__ = 'BillyLV'

from socket import *
client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # ipv4, tcp
client.connect(('localhost', 2130))
while True:
    msg = input('>>: ')
    if not msg:
        continue
    client.send(msg.encode('utf-8'))
    data = client.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

参考： 

http://www.cnblogs.com/alex3714

http://www.cnblogs.com/wupeiqi

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