python之并发基础（IO模块）

IO模型简介

我们这里研究的IO模型都是针对网络IO的:

Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：

• blocking IO 阻塞IO
• nonblocking IO 非阻塞IO
• IO multiplexing IO多路复用
• signal driven IO 信号驱动IO
• asynchronous IO 异步IO
  由signal driven IO（信号驱动IO）在实际中并不常用，所以主要介绍其余四种IO Model。

IO发生时涉及的对象（network IO为例）：

• 调用这个IO的process (or thread);

• 系统内核(kernel)(通俗理解：操作系统)

当IO操作发生时，经历以下两个阻塞阶段：

1）等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

2）将数据从内核拷贝到进程中(Copying the data from the kernel to the process)

补充：

　　1、输入操作：read、readv、recv、recvfrom、recvmsg共5个函数，如果会阻塞状态，则会经理wait data和copy data两个阶段，如果设置为非阻塞则在wait 不到data时抛出异常

　　2、输出操作：write、writev、send、sendto、sendmsg共5个函数，在发送缓冲区满了会阻塞在原地，如果设置为非阻塞，则会抛出异常

　　3、接收外来链接：accept，与输入操作类似

　　4、发起外出链接：connect，与输出操作类似

输入操作一般都是被动接收，而我们重点讨论的网络IO主要表现在readv、recv、recvfrom

被动等待数据的时间一般很长，这就是IO操作遇到阻塞的主要原因。

不论是收数据还是发送数据，都是直接跟自己的操作系统打交道，问自己的OS要数据或将数据交给OS发出去。

因此被动等数据的时间很长，而主动发数据就很容易，因此可以不考虑send这种网络IO(忽略不计)。

阻塞IO模型

"""
我们之前写的都是阻塞IO模型  协程除外
"""
import socket


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)


while True:
    conn, addr = server.accept()
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data) == 0:break
            print(data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError as e:
            break
    conn.close()
    
# 在服务端开设多进程或者多线程 进程池线程池 其实还是没有解决IO问题	
该等的地方还是得等 没有规避
只不过多个人等待的彼此互不干扰

非阻塞IO

　　Linux下，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。

　　所以，在非阻塞式IO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。

"""
要自己实现一个非阻塞IO模型
"""
import socket
import time


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1', 8081))
server.listen(5)
server.setblocking(False)
# 将所有的网络阻塞变为非阻塞
r_list = []
del_list = []
while True:
    try:
        conn, addr = server.accept()
        r_list.append(conn)
    except BlockingIOError:
        # time.sleep(0.1)
        # print('列表的长度:',len(r_list))
        # print('做其他事')
        for conn in r_list:
            try:
                data = conn.recv(1024)  # 没有消息 报错
                if len(data) == 0:  # 客户端断开链接
                    conn.close()  # 关闭conn
                    # 将无用的conn从r_list删除
                    del_list.append(conn)
                    continue
                conn.send(data.upper())
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                conn.close()
                del_list.append(conn)
        # 挥手无用的链接
        for conn in del_list:
            r_list.remove(conn)
        del_list.clear()

# 客户端
import socket


client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1',8081))


while True:
    client.send(b'hello world')
    data = client.recv(1024)
    print(data)

总结：

"""
虽然非阻塞IO给你的感觉非常的牛逼
但是该模型会	长时间占用着CPU并且不干活 让CPU不停的空转
我们实际应用中也不会考虑使用非阻塞IO模型
"""

IO多路复用

"""
当监管的对象只有一个的时候 其实IO多路复用连阻塞IO都比不上！！！
但是IO多路复用可以一次性监管很多个对象

server = socket.socket()
conn,addr = server.accept()

监管机制是操作系统本身就有的 如果你想要用该监管机制(select)
需要你导入对应的select模块
"""
import socket
import select


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)
server.setblocking(False)
read_list = [server]


while True:
    r_list, w_list, x_list = select.select(read_list, [], [])
    """
    帮你监管
    一旦有人来了 立刻给你返回对应的监管对象
    """
    # print(res)  # ([<socket.socket fd=3, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080)>], [], [])
    # print(server)
    # print(r_list)
    for i in r_list:  #
        """针对不同的对象做不同的处理"""
        if i is server:
            conn, addr = i.accept()
            # 也应该添加到监管的队列中
            read_list.append(conn)
        else:
            res = i.recv(1024)
            if len(res) == 0:
                i.close()
                # 将无效的监管对象 移除
                read_list.remove(i)
                continue
            print(res)
            i.send(b'heiheiheiheihei')

 # 客户端
import socket


client = socket.socket()
client.connect(('127.0.0.1',8080))


while True:

    client.send(b'hello world')
    data = client.recv(1024)
    print(data)

总结：

"""
监管机制其实有很多
select机制  windows linux都有

poll机制    只在linux有   poll和select都可以监管多个对象 但是poll监管的数量更多

上述select和poll机制其实都不是很完美 当监管的对象特别多的时候
可能会出现 极其大的延时响应

epoll机制   只在linux有
	它给每一个监管对象都绑定一个回调机制
	一旦有响应 回调机制立刻发起提醒

针对不同的操作系统还需要考虑不同检测机制 书写代码太多繁琐
有一个人能够根据你跑的平台的不同自动帮你选择对应的监管机制
selectors模块
"""

异步IO

"""
异步IO模型是所有模型中效率最高的 也是使用最广泛的
相关的模块和框架
	模块:asyncio模块
	异步框架:sanic tronado twisted
		速度快！！！
"""
import threading
import asyncio


@asyncio.coroutine
def hello():
    print('hello world %s'%threading.current_thread())
    yield from asyncio.sleep(1)  # 换成真正的IO操作
    print('hello world %s' % threading.current_thread())


loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [hello(),hello()]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

四个IO模型对比