Python菜鸟之路：Python基础-Socket编程-2

　　在上节socket编程中，我们介绍了一些TCP/IP方面的必备知识，以及如何通过Python实现一个简单的socket服务端和客户端，并用它来解决“粘包”的问题。本章介绍网络编程中的几个概念：多线程、多进程以及网络编程IO模型

概述

　　默认应用程序：是单进程、单线程的。

　　进程是资源分配的最小单位。与程序相比，程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，只是一个静态实体。进程是程序在某个数据集上的执行，是一个动态实体。它因创建而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待状态，因完成任务而被撤消，反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。进程也可能是整个程序或者是部分程序的动态执行。

　　线程是轻量级的进程或子进程，是CPU调度的最小单位，所有的线程都存在于相同的进程。所以线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行多任务。通常由操作系统负责多个线程的调度和执行。多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。

　　由于Python中GIL的存在，GIL 会在进程级别加的一个逻辑锁，这个锁粒度很大，把整个系统资源看做一个整体，所以GIL 不管你有多少CPU核心，都看做一个CPU核心来用，虽然单进程多线程的程序拥有多个线程，但是同一时间之会有一个线程利用到CPU资源。因此为了提高CPU利用率，通常会启用多进程，即启动多个Python进程来提高CPU的利率用，从而提高工作效率。

对比

对比维度	多进程	多线程	总结
数据共享、同步	数据共享复杂，需要用IPC；数据是分开的，同步简单	因为共享进程数据，数据共享简单，但也是因为这个原因导致同步复杂	各有优势
内存、CPU	占用内存多，切换复杂，CPU利用率低	占用内存少，切换简单，CPU利用率高	线程占优
创建销毁、切换	创建销毁、切换复杂，速度慢	创建销毁、切换简单，速度很快	线程占优
编程、调试	编程简单，调试简单	编程复杂，调试复杂	进程占优
可靠性	进程间不会互相影响	一个线程挂掉将导致整个进程挂掉	进程占优
分布式	适应于多核、多机分布式；如果一台机器不够，扩展到多台机器比较简单	适应于多核分布式	进程占优

选用

　　单进程，多线程的程序(io操作不占用CPU)：如果是CPU密集型，那么则不能提高效率。如果是IO密集型，那么则能提高效率。

　　多进程，单线程的程序：CPU密集型的，一般用多进程提高并发效率。

　　小结：

　　CPU密集型：多进程

　　IO密集型：多线程

一个多并发案例

import socketserver

class MyServer(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        pass

if __name__ == '__main__':
    obj = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1', 8888), MyServer)
    obj.serve_forever()

　　如果自己去实现一个支持多并发的socket服务端，无疑是一件非常很繁琐的事情，需要用到select/poll/epoll等知识，但是，上边的代码中，利用了socketserver这个模块就轻松的实现了一个支持多并发的server端，下面来一起分析下这个socket服务端运行起来，到底做了哪些事项：

　　1. 在实例化的时候，会调用socketserver.ThreadingTCPServer(...)的__init__方法，加载顺序如下

　　　　

　　2. 调用对象的serve_forever方法

 　　3. 最终进入自定义的类MyServer处理环节：从第二部最后一步中，执行了self.self.RequestHandlerClass(request, client_address, self)，即创建了一个MyServer的实例，那么在实例化的时候，就会执行MyServer类的__init__方法。明显地，MyServer中没有定义__init__方法，那么从父类的__init__方法中继承。

发现在socketserver.BaseRequestHandler类中，__init__包含如下代码

    def __init__(self, request, client_address, server):
        self.request = request
        self.client_address = client_address
        self.server = server
        self.setup()
        try:
            self.handle()
        finally:
            self.finish()

　　发现会调用self.handler()方法，最终又回到了MyServer定义的handler方法中，来处理客户端请求。

　　至此，socketserver源码简单剖析完毕。

扩展: Threading模块

　　上边剖析代码的时候，看到了与线程相关的一个模块Threading，是一个非常重要模块，下面对这个模块进行介绍.有两种方式来创建线程：一种是通过继承Thread类，重写它的run方法；另一种是创建一个threading.Thread对象，在它的初始化函数（__init__）中将可调用对象作为参数传入。下面介绍第二种，第一种以后增加:

import threading
import time

def worker():
    time.sleep(2)
    print("test")

for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=worker)
    t.start()

　　从上边可以看出，创建一个多线程程序，只需要3步：

　　1. 创建执行函数

　　2. 创建threading.Thread对象

def __init__(self, group=None, target=None, name=None,
                 args=(), kwargs=None, *, daemon=None):
        """This constructor should always be called with keyword arguments. Arguments are:

        *group* should be None; reserved for future extension when a ThreadGroup # 为了将来拓展保留的
        class is implemented.

        *target* is the callable object to be invoked by the run()
        method. Defaults to None, meaning nothing is called. # 一个可调用程序，在线程启动后执行

        *name* is the thread name. By default, a unique name is constructed of
        the form "Thread-N" where N is a small decimal number. # 线程的名字，默认值为“Thread-N“，N是一个数字

        *args* is the argument tuple for the target invocation. Defaults to (). # 参数args表示调用target时的参数列表

        *kwargs* is a dictionary of keyword arguments for the target
        invocation. Defaults to {}. # 参数kwargs表示调用target时的关键字参数。

        If a subclass overrides the constructor, it must make sure to invoke
        the base class constructor (Thread.__init__()) before doing anything
        else to the thread.

        """

　　3. 启动线程

其他几个重要方法

1） threading.Thread.join([timeout])

　　调用Thread.join将会使主调线程堵塞，直到被调用线程运行结束或超时。参数timeout是一个数值类型，表示最多等待超时时间，如果未提供该参数，那么主调线程将一直堵塞到被调线程结束。

2）threading.Thread.getName()  Thread.setName()   Thread.name

　　用于获取和设置线程的名称。

3）threading.Thread.start()

　　开始一个新的线程

        """Start the thread's activity.

        It must be called at most once per thread object. It arranges for the
        object's run() method to be invoked in a separate thread of control.

        This method will raise a RuntimeError if called more than once on the
        same thread object.

        """

4）threading.Thread.run()

　　通常需要重写，编写代码实现做需要的功能。源码中start方法里调用了 self._start_new_thread(self._bootstrap, ()) ， 而self_bootstrap 里边调用了 self._bootstrap_inner()， self._bootstrap_inner()里边又调用了self.run() 。而self.run里边，执行了self._target(*self._args, **self._kwargs)，即在初始化的时候__init__中的target变量赋予的函数。最终执行的依然是target变量对应的函数。注：在通过继承Thread类来编写多线程的时候一般通过这个方法调用。

5）threading.Thread.setDaemon([True|False])

　　默认为Flase，参数设置为True的话会将线程声明为守护线程，必须在start() 方法之前设置

6) threading.Thread.isDaemon()

　　判断线程属于守护线程(True表示是)，是否随主线程一起结束(True表示不随主线程一起结束，False表示一起结束)。

7）threading.Thread.isAlive()

　　检查线程是否在运行中

 IO多路复用

　　I/O多路复用指：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），能够通知程序进行相应的读写操作。

　　IO多路复用适用如下场合：

　　（1）当客户处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

　　（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

　　（3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

　　（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

　　（5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

　　注：IO多路复用不支持文件操作，支持其他IO操作，监控内部是否发生变化

　　与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。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。

　　http://www.zhihu.com/question/32163005 这个链接里深入的介绍了IO多路复用的起源以及核心原理，这里不再赘述。

　　其中重要的三项复用技术就是：select,poll,epoll

select,poll,epoll简介

Select	select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是： 1 单个进程可监视的fd数量被限制 2 需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大 3 对socket进行扫描时是线性扫描
Poll	poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。 它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。 poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。
Epoll	epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次。 在前面说到的复制问题上，epoll使用mmap减少复制开销。 还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知

注：水平触发（level-triggered）——只要满足条件，就触发一个事件(只要有数据没有被获取，内核就不断通知你)

　　边缘触发（edge-triggered）——每当状态变化时，触发一个事件。

	Select	Poll	Epoll
支持最大连接数	1024	无上限	无上限
IO效率	每次调用进行线性遍历，时间复杂度为O（N）	每次调用进行线性遍历，时间复杂度为O（N）	使用“事件”通知方式，每当fd就绪，系统注册的回调函数就会被调用，将就绪fd放到rdllist里面，这样epoll_wait返回的时候我们就拿到了就绪的fd。时间发复杂度O（1）
fd拷贝	每次select都拷贝	每次poll都拷贝	调用epoll_ctl时拷贝进内核并由内核保存，之后每次epoll_wait不拷贝

Python中用select模块实现伪并发

版本1：简单的伪并发

import socket
import select

sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.01', 9999))
sk.listen(5)

inputs = [sk, ]
while True:
    rlist, wlist, e, = select.select(inputs, [], [], 1)
    # 监听sk对象，如果sk对象发生变化，表示有客户端连接来了，此时rlist为[sk,]
    # 监听conn对象，如果conn发生变化，表示客户端有新消息发送过来了，此时rlist为【客户端】
    # 1 表示检测间隔
    print(len(inputs), len(rlist))
    # rlist中是socket对象列表
    for r in rlist:
        if r == sk:
            # 新客户端来连接
            conn, address = r.accept()
            # conn是什么？ 其实socket对象
            inputs.append(conn)
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf8'))
        else:
            # 有人给我发消息了
            try: # 捕捉客户端断开连接异常
                ret = r.recv(1024)
                r.sendall(ret)
                # 这里也可以给客户端发送消息，但是不推荐，这样读写混淆到一起了。推荐使用读写分离的写法
                if not ret: # 捕捉不同系统的客户端断开连接
                    raise Exception
            except Exception as e:
                inputs.remove(r)

import socket
import select

sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.01', 9999))
sk.listen(5)
inputs = [sk, ]
outputs = []  # 包含了所有给我发消息的人

while True:
    # rlist, w, e, = select.select([sk,], [], [],)
    rlist, wlist, e, = select.select(inputs, outputs, [], 1)
    # 监听sk对象，如果sk对象发生变化，表示有客户端连接来了，此时rlist为[sk,]
    # 监听conn对象，如果conn发生变化，表示客户端有新消息发送过来了，此时rlist为【客户端】
    # 1 表示检测间隔
    print(len(inputs), len(rlist), len(wlist), len(outputs))
    # rlist中是socket对象列表
    for r in rlist:
        if r == sk:
            # 新客户端来连接
            conn, address = r.accept()
            # conn是什么？ 其实socket对象
            inputs.append(conn)
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf8'))
        else:
            # 有人给我发消息了
            print("=========")
            try: # 捕捉客户端断开连接异常
                ret = r.recv(1024)
                if not ret: # 捕捉不同系统的客户端断开连接
                    raise Exception("断开连接")
                else:
                    outputs.append(r)
            except Exception as e:
                inputs.remove(r)

    # 循环所有给我发消息的人
    for w in wlist:
        w.sendall(bytes('response', encoding='utf8'))
        outputs.remove(w)

import socket
import select

sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.01', 9999))
sk.listen(5)

inputs = [sk, ]
outputs = []  # 包含了所有给我发消息的人
messages = {} # 消息队列
# messages = { sk1:[],  sk2: [], sk3: [].....}
while True:
    # rlist, w, e, = select.select([sk,], [], [],)
    rlist, wlist, e, = select.select(inputs, outputs, [], 1)
    # 监听sk对象，如果sk对象发生变化，表示有客户端连接来了，此时rlist为[sk,]
    # 监听conn对象，如果conn发生变化，表示客户端有新消息发送过来了，此时rlist为【客户端】
    # 1 表示检测间隔
    print(len(inputs), len(rlist), len(wlist), len(outputs))
    # rlist中是socket对象列表
    for r in rlist:
        if r == sk:
            # 新客户端来连接
            conn, address = r.accept()
            # conn是什么？ 其实socket对象
            inputs.append(conn)
            messages[conn] = []
            conn.sendall(bytes('hello',encoding='utf8'))
        else:
            # 有人给我发消息了
            print("=========")
            try: # 捕捉客户端断开连接异常
                ret = r.recv(1024)
                if not ret: # 捕捉不同系统的客户端断开连接
                    raise Exception("断开连接")
                else:
                    outputs.append(r)
                    messages[r].append(ret)
            except Exception as e:
                inputs.remove(r)
                # 记住： 要如果断开，要清空message对应对象的key
                del messages[r]

    # 循环所有给我发消息的人
    for w in wlist:
        msg = messages[w].pop()
        msg += bytes('response', encoding='utf8')
        w.sendall(msg)
        outputs.remove(w)