并发服务器几种实现方法总结

今天主题是实现并发服务器，实现方法有多种版本，先从简单的单进程代码实现到多进程，多线程的实现，最终引入一些高级模块来实现并发TCP服务器。

说到TCP，想起吐槽大会有个段子提到三次握手，也只有程序猿(媛)能get。

UDP服务器数据传输不可靠，这里就忽略了。

>>:

简单的单进程TCP服务器

假代码：

#创建tcp服务器套接字

#绑定端口

#设置正常情况退出的服务器下,端口可以重用

#设置监听,变为主动监听

# 等待客户端的链接,返回新的socket和地址

#关闭tcp服务器套接字

from socket import socket, AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR

#创建tcp服务器套接字
server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
#绑定端口
server_socket.bind(("",9999))
#设置正常情况退出的服务器下,端口可以重用
server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
#设置监听,变为主动监听
server_socket.listen(5)

while True:
   # 等待客户端的链接,返回新的socket和地址
   new_socket,new_address = server_socket.accept()
   #接收数据,并且发送数据
   try:
      while True:
         recv_data = new_socket.recv(1024)
         #当有客户端关闭后,recv解除阻塞,并且返回长度为0
         if len(recv_data) > 0:
            recv_content = recv_data.decode("gb2312")
            print("收到:%s的信息是:%s" % (str(new_address),recv_content))
            new_socket.send("thank you!".encode("gb2312"))
         else:
            print("客户端%s已经关闭" % (str(new_address)))
            break
   finally:
      new_socket.close()
      print("关闭%s客户端" % (str(new_address)))

#关闭tcp服务器套接字
server_socket.close()

多进程TCP服务器

from socket import socket, AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
from multiprocessing import Process

#在子进程中接收消息
def recv_data(new_socket,new_address):
   while True:
      recv_data = new_socket.recv(1024)
      # 当有客户端关闭后,recv解除阻塞,并且返回长度为0
      if len(recv_data) > 0:
         recv_content = recv_data.decode("gb2312")
         print("收到:%s的信息是:%s" % (str(new_address), recv_content))
         new_socket.send("thank you!".encode("gb2312"))
      else:
         print("客户端%s已经关闭" % (str(new_address)))
         break
   #关闭与客户端的连接
   print("关闭与客户端的连接")
   new_socket.close()

def main():
   #创建tcp服务器套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   #绑定端口
   server_socket.bind(("",8888))
   #设置正常情况退出的服务器下,端口可以重用
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

   #设置监听,变为被动连接
   server_socket.listen(3)

   try:
      while True:
         # 等待客户端的链接,返回新的socket和地址
         new_socket,new_address = server_socket.accept()
         #接收数据,并且发送数据
         Process(target=recv_data,args=(new_socket,new_address)).start()
         #因为主进程和子进程不共享数据
         #如果我们直接关闭new_socket,只是关闭主进程的new_socket,而子进程的不受影响
         new_socket.close()
   finally:
      #关闭tcp服务器套接字
      server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
   main()

 多进程TCP服务器

from socket import socket, AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
from multiprocessing import Process

#在子进程中接收消息
def recv_data(new_socket,new_address):
   while True:
      recv_data = new_socket.recv(1024)
      # 当有客户端关闭后,recv解除阻塞,并且返回长度为0
      if len(recv_data) > 0:
         recv_content = recv_data.decode("gb2312")
         print("收到:%s的信息是:%s" % (str(new_address), recv_content))
         new_socket.send("thank you!".encode("gb2312"))
      else:
         print("客户端%s已经关闭" % (str(new_address)))
         break
   #关闭与客户端的连接
   print("关闭与客户端的连接")
   new_socket.close()

def main():
   #创建tcp服务器套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   #绑定端口
   server_socket.bind(("",8888))
   #设置正常情况退出的服务器下,端口可以重用
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

   #设置监听,变为被动连接
   server_socket.listen(3)

   try:
      while True:
         # 等待客户端的链接,返回新的socket和地址
         new_socket,new_address = server_socket.accept()
         #接收数据,并且发送数据
         Process(target=recv_data,args=(new_socket,new_address)).start()
         #因为主进程和子进程不共享数据
         #如果我们直接关闭new_socket,只是关闭主进程的new_socket,而子进程的不受影响
         new_socket.close()
   finally:
      #关闭tcp服务器套接字
      server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
   main()

 多线程TCP服务器

from socket import socket, AF_INET,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR
from threading import Thread

#接收消息
def recv_data(new_socket,new_address):
   while True:
      recv_data = new_socket.recv(1024)
      # 当有客户端关闭后,recv解除阻塞,并且返回长度为0
      if len(recv_data) > 0:
         recv_content = recv_data.decode("gb2312")
         print("收到:%s的信息是:%s" % (str(new_address), recv_content))
         new_socket.send("thank you!".encode("gb2312"))
      else:
         print("客户端%s已经关闭" % (str(new_address)))
         break

def main():
   #创建tcp服务器套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   #绑定端口
   server_socket.bind(("",9999))
   #设置正常情况退出的服务器下,端口可以重用
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

   #设置监听,变为被动连接
   server_socket.listen(3)

   try:
      while True:
         # 等待客户端的链接,返回新的socket和地址
         new_socket,new_address = server_socket.accept()
         #接收数据,并且发送数据
         Thread(target=recv_data,args=(new_socket,new_address)).start()
   finally:
      #关闭tcp服务器套接字
      server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
   main()

多任务协程实现 ——

greenlet和gevent 

#coding=utf-8
from greenlet import greenlet
import time
def test1():
    while True:
        print "---A--"
        gr2.switch()
        time.sleep(0.5)
def test2():
    while True:
        print "---B--"
        gr1.switch()
        time.sleep(0.5)
gr1 = greenlet(test1)
gr2 = greenlet(test2)
#切换到gr1中运行
gr1.switch()

-----------------------------------------------

import gevent

#函数
def f(n):
   for i in range(n):
      print("%s:%s" % (gevent.getcurrent(),i))



f1 = gevent.spawn(f,5)
f2 = gevent.spawn(f,5)
f3 = gevent.spawn(f,5)

#让主线程等待三个协程执行完毕,否则没有机会执行
f1.join()
f2.join()
f3.join()

#可以看到，3个greenlet是依次运行而不是交替运行。要让greenlet交替运行，可以通过gevent.sleep()交出控制权。

 --------------------------------------------------

#coding=utf-8
import gevent
def f(n):
    for i in range(n):
        print gevent.getcurrent(), i
        #用来模拟一个耗时操作，注意不是time模块中的sleep
        gevent.sleep(1)

g1 = gevent.spawn(f, 5)
g2 = gevent.spawn(f, 5)
g3 = gevent.spawn(f, 5)
#下面三行代码意思：主线程等待各个协成支持完，否则协成没有机会执行
g1.join()
g2.join()
g3.join()

单进程TCP服务器 ——

非堵塞式

from socket import AF_INET,socket,SO_REUSEADDR,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET

def main():

   #创建tcp的socket套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

   #绑定端口
   server_socket.bind(("",9999))

   #设置非阻塞,也就是说accept方法不阻塞了,
   # 但是在没有客户端链接且被执行的时候会报错
   #有客户端链接的时候正常执行
   server_socket.setblocking(False)

   #设置监听
   server_socket.listen(5)

   #客户端列表
   client_lists = []
   try:

      #不断调用accept
      while True:
         try:
            # print("accept--111")
            new_socket,new_address = server_socket.accept()
            print("accept--2222")
         except Exception as result:
            # print(result)
            pass
         else:
            print("新的客户%s链接上" % str(new_address))
            #新链接的new_sokect默认也是阻塞,也设置为非阻塞后,recv为非阻塞
            new_socket.setblocking(False)
            client_lists.append((new_socket,new_address))
         # print(111)
         for client_sokect,client_address in client_lists:
            #接收数据
            try:
               recv_data = client_sokect.recv(1024)
            except Exception as result:
               # print(result)
               pass
            else:
               # print("正常数据:%s" %recv_data)
               if len(recv_data) > 0 :
                  print("收到%s:%s" % (str(client_address),recv_data))
                  client_sokect.send("thank you!".encode("gb2312"))
               else:
                  #客户端已经端口,要把该客户端从列表中异常
                  client_lists.remove((client_sokect,new_address))
                  client_sokect.close()
                  print("%s已经断开" % str(new_address))

   finally:
      #关闭套接字
      server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
   main()

单进程TCP服务器 ——

select版

select 原理

其他语言（c或者c++）也有使用select实现多任务服务器。

select 能够完成一些套接字的检查，从头到尾检查一遍后，标记哪些套接字是否可以收数据，返回的时候，就返回能接收数据的套接字，返回的是列表。select是由操作系统提供的，效率要高些,非常快的方式检测哪些套接字可以接收数据。select是跨平台的，在window也可以用。

io多路复用：没有使用多进程和多线程的情况下完成多个套接字的使用。

from socket import AF_INET,socket,SO_REUSEADDR,SOCK_STREAM,SOL_SOCKET
from select import select
import sys

def main():

   #创建tcp的socket套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

   #绑定端口
   server_socket.bind(("",9999))

   #设置监听
   server_socket.listen(5)

   #客户端列表
   socket_lists = [server_socket,sys.stdin]
   wirte_list = []
   #是否退出
   is_run = False
   try:

      while True:
         #检测列表client_lists那些socket可以接收数据,
         #检测列表[]那些套接字(socket)可否发送数据
         #检测列表[]那些套接字(socket)是否产生了异常
         print("select--111")
         #这个select函数默认是堵塞,当有客户端链接的时候解除阻塞,
         # 当有数据可以接收的时候解除阻塞,当客户端断开的时候解除阻塞
         readable, wirteable,excep = select(socket_lists,wirte_list,[])
         # print("select--2222")
         # print(111)
         for sock in wirteable:
            #这个会一直发送,因为他是处于已经发的状态
            sock.send("thank you!".encode("gb2312"))
         for sock in readable:
            #接收数据
            if sock == server_socket:
               print("sock == server_socket")
               #有新的客户端链接进来
               new_socket,new_address = sock.accept()
               #新的socket添加到列表中,便于下次socket的时候能检查到
               socket_lists.append(new_socket)
            elif sock == sys.stdin:
               cmd = sys.stdin.readline()
               print(cmd)
               is_run = cmd
            else:
               # print("sock.recv(1024)....")
               #此时的套接字sock是直接可以取数据的
               recv_data = sock.recv(1024)
               if len(recv_data) > 0:
                  print("从[%s]:%s" % (str(new_address),recv_data))
                  sock.send(recv_data)
                  #把链接上有消息接收的socket添加到监听写的列表中
                  wirte_list.append(sock)
               else:
                  print("客户端已经断开")
                  #客户端已经断开,要移除
                  sock.close()
                  socket_lists.remove(sock)

         #是否退出程序
         if is_run:
            break

   finally:
      #关闭套接字
      server_socket.close()


if __name__ == "__main__":
   main()

单进程TCP服务器 ——

epoll版

from socket import *
import select

def main():

   #创建tcp服务器套接字
   server_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
   #设置端口可以重用
   server_socket.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
   #绑定端口
   server_socket.bind(("",9999))
   #设置监听
   server_socket.listen(5)

   #用epoll设置监听收数据
   epoll = select.epoll()
   #把server_socket注册到epoll的事件监听中,如果已经注册过会发生异常
   epoll.register(server_socket.fileno(),select.EPOLLIN|select.EPOLLET)
   #装socket列表
   socket_lists = {}
   #装socket对应的地址
   socket_address = {}
   while True:
      #返回套接字列表[(socket的文件描述符,select.EPOLLIN)],
      # 如果有新的链接,有数据发过来,断开链接等都会解除阻塞
      print("epoll.poll--111")
      epoll_list = epoll.poll()
      print("epoll.poll--222")
      print(epoll_list)
      for fd,event in epoll_list:
         #有新的链接
         if fd == server_socket.fileno():
            print("新的客户fd==%s" % fd)
            new_sokect,new_address = server_socket.accept()
            #往字典添加数据
            socket_lists[new_sokect.fileno()] = new_sokect
            socket_address[new_sokect.fileno()] = new_address
            #注册新的socket也注册到epoll的事件监听中
            epoll.register(new_sokect.fileno(), select.EPOLLIN | select.EPOLLET)
         elif event ==select.EPOLLIN:
            print("收到数据了")
            #根据文件操作符取出对应socket
            new_sokect = socket_lists[fd]
            address = socket_address[fd]
            recv_data = new_sokect.recv(1024)
            if len(recv_data) > 0:
               print("已经收到[%s]:%s" % (str(address),recv_data.decode("gb2312")))
            else:
               #客户端端口,取消监听
               epoll.unregister(fd)
               #关闭链接
               new_sokect.close()
               print("[%s]已经下线" % str(address))



   #关闭套接字链接
   server_socket.close()

if __name__ == "__main__":
   main()

单进程TCP服务器 ——

gevent版

gevent原理

greenlet已经实现了协程，但是这个还得人工切换，是不是觉得太麻烦了，莫要捉急，python还有一个比greenlet更强大的并且能够自动切换任务的模块gevent 

原理------当一个greenlet遇到IO(指的是input output 输入输出，比如网络、文件操作等)操作时，比如访问网络，就自动切换到其他的greenlet，等到IO操作完成，再在适当的时候切换回来继续执行。

由于IO操作非常耗时，经常使程序处于等待状态，有了gevent为我们自动切换协程，就保证总有greenlet在运行，而不是等待IO.

import sys
import time
import gevent
from gevent import socket,monkey
monkey.patch_all()
def handle_request(conn):
    while True:
        data = conn.recv(1024)
        if not data:
            conn.close()
            break
        print("recv:", data)
        conn.send(data)

def server(port):
    s = socket.socket()
    s.bind(('', port))
    s.listen(5)
    while True:
        newSocket, addr = s.accept()
        gevent.spawn(handle_request, newSocket)
if __name__ == '__main__':
    server(7788)

首先基于以上代码模块，撒点概念问题：

1.什么是协程？

协程：存在线程中，是比线程更小的执行单元，又称微线程，纤程。自带cpu上下文，操作协程由程序员决定，它可以将一个线程分解为多个微线程，每个协程间共享全局空间的变量，每秒钟切换频率高达百万次。

2. 什么是计算密集型和IO密集型

计算密集型：要进行大量的计算，消耗cpu资源。如复杂计算，对视频进行高清解码等，全靠cpu的运算能力。而计算密集型任务完成多任务切换任务比较耗时，cpu执行任务效率就越低。在python中，多进程适合计算密集型任务。

IO密集型：涉及到网络、磁盘io的任务都是io密集型。cpu消耗少，计算量小，如请求网页，读写文件等。在python中，使用sleep达到IO密集型任务的目的，多线程适合IO密集型任务。

各大实现版本对比：

select：

1）支持跨平台，最大缺陷是单个进程打开的FD是有限的，由FD_SETSIZE设置，默认是1024；

2）对socket扫描时是线性扫描，及采用轮询方式，效率低；

3）需要维护一个存放大量FD的数据结构，使得用户空间和内核空间在传递该数据结构时复制开销大。

poll： 

1）poll与select本质上没有区别，但poll没有最大连接数的限制；

2）大量的fd数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，不管这样的复制是不是有意义；

3）‘水平触发’，如果报告了fd后，没有被处理，下次poll时还会再次报告该fd。

epoll：

1）是之前poll和select的增强版，epoll更灵活，没有描述符限制，能打开的fd远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；

2）‘边缘出发’，事件通知机制，效率提升，最大的特点在于它只管你活跃的连接，而跟连接总数无关。而epoll对文件描述符的操作模式之一ET是一种高效的工作方式，很大程度减少事件反复触发的次数，内核不会发送更多的通知（only once）。