IO模型分类
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
signal driven IO(信号驱动IO)在实际中并不常用,所以只剩下四种IO Model。
网络IO的两个过程
对于一个network IO ,会涉及到两个系统对象,一个是调用这个IO的process (or thread),另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:
- 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready):等待系统接收数据
- 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process):进程从系统缓存中拿到数据
同步IO:在这两个过程中有任意阶段出现阻塞状态。
阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用都是同步IO
异步IO:全程无阻塞的IO
异步IO属于异步IO(真的没毛病)
阻塞IO(Blocking IO)
UDP包:当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据。对于network io来说,很多时候数据在一开始还没有到达(比如,还没有收到一个完整的UDP包),这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除block的状态,重新运行起来。
blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。
示例:
1 #服务端 2 import socket 3 sock=socket.socket() #默认是TCP 4 sock.bind(("127.0.0.1",8088)) 5 6 sock.listen(5) 7 while True: 8 conn,addr=sock.accept() #默认是就是阻塞的方式,监听等待客户端连接(阶段一):等待中的阻塞 9 #客户端连接后接收数据(阶段二):socket对象和客户端地址,虽然接收数据的过程很快但是实际上也是阻塞 10 while True: 11 data=conn.recv(1024) #也是两个阶段的阻塞 12 print(data.decode('utf8')) 13 if data.decode('utf8') =='q': 14 break 15 respnse=input('>>>>') 16 conn.send(respnse.encode('utf8')) 17 18 19 #客户端 20 import socket 21 sock=socket.socket() 22 sock.connect(("127.0.0.1",8088)) 23 24 while True: 25 data=input('>>>').strip() 26 sock.send(data.encode('utf8')) 27 s_data = sock.recv(1024) #两个阶段的阻塞 28 print(s_data.decode('utf8'))
非阻塞IO(Non-blocking IO)
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。所以用户进程不需要等待,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,于是它可以再次发送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,然后返回。这个过程中,用户进程是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
非阻塞实际上是将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞,每次recvform系统调用之间,可以干点别的事情,然后再发起recvform系统调用,重复的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。
优点:能够在等待任务完成的时间里干其他活了(包括提交其他任务,也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行)。
缺点:任务完成的响应延迟增大了,因为每过一段时间才去轮询一次read操作,而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。
1 #服务端 2 3 import socket 4 import time 5 sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #默认是TCP 6 sock.bind(("127.0.0.1",8088)) 7 sock.listen(5) 8 sock.setblocking(False) 9 10 while True: 11 try: 12 print('server waiting') 13 conn, addr = sock.accept() # 默认是个阻塞的方式,等待客户端连接 14 while True: 15 data = conn.recv(1024) #这边也是阻塞的IO 16 print(data.decode('utf8')) 17 if data.decode('utf8') == 'q': 18 break 19 respnse = input('>>>>') 20 conn.send(respnse.encode('utf8')) 21 except Exception as e: 22 print (e) 23 time.sleep(4) 24 25 #客户端 26 import socket 27 sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #默认是TCP 28 29 while True: 30 sock.connect(("127.0.0.1", 8088)) #因为服务端recv也是非阻塞,所以要不断重新连接 31 data=input('>>>').strip() 32 sock.send(data.encode('utf8')) 33 s_data = sock.recv(1024) 34 print(s_data.decode('utf8'))
IO多路复用(IO multiplexing)
IO多路复用,也叫做event driven IO,实现方式:select,poll或epoll
IO多路复用的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO
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。这个过程中有两次system call(系统调用) select阻塞时候 和 recvfrom阻塞时候。用多路复用的的优势在于它可以同时处理大批量的connection,不适用单个或少量,少量还不如multi-threading + blocking IO。
select示例:
1 #服务端 2 import socket 3 import select 4 sock=socket.socket() 5 sock.bind(("127.0.0.1",8088)) 6 sock.listen(5) 7 8 inp=[sock,] #定义监听的套接字对象列表,列表列表里可以有多个对象 9 10 while True: 11 #字段顺序:input list 、output list、error list、date(可以不写) 12 r=select.select(inp,[],[],None) #对比的是sock.accept(),这一步只做了监听的事情,监听哪个socket对象活动,当没有客户端连接时候会阻塞 13 # 当监听到有活动的socket对象时候,将返回值给r 14 print('r',r) 15 print('r',r[0]) 16 #r接收的返回是一个元组,r[0]是活动的对象列表 17 18 for obj in r[0]: 19 if obj == sock: #如果活动的对象是sock,那么将客户端对象加入监听列表,客户端再发数据时候,触发客户端的对象活动 20 conn,addr=obj.accept() #accept只做第二个阶段的事情,取回数据:client的socket对象和地址 21 print(conn,addr) 22 inp.append(conn) 23 else: 24 data=obj.recv(1024) 25 print(data.decode('utf8')) 26 resp=input('>>>') 27 obj.send(resp.encode('utf8')) 28 29 #客户端 30 import socket 31 sock=socket.socket() 32 sock.connect(("127.0.0.1", 8088)) 33 while True: 34 data=input('>>>').strip() 35 sock.send(data.encode('utf8')) 36 s_data = sock.recv(1024) 37 print(s_data.decode('utf8'))
因为使用的是for循环,当多个客户端发消息给服务端,只能一个个顺序处理。
在windows下只能用select实现多路复用
在Linux可以使用select、poll、epoll实现,推荐使用epoll,对比:
select和poll的监听方式为轮询方式,即每次都要循环一遍监听列表,效率低,另外select有连接数限制,poll无限
epoll连接数无限,区别在于监听方式不同,每个socket对象绑定一个回调函数,当socket对象活动了就触发回调函数,把自己写到活动列表中,epoll直接调用活动列表
信号驱动IO(signal driven IO)
不常用,不做说明
异步IO(Asynchronous I/O)
用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。
IO模型区别
selectors模块
该模块能够按照系统平台,自动选择多路复用的方式。
1 #服务端 2 import selectors 3 import socket 4 5 sel=selectors.DefaultSelector() 6 7 def accept(sock,mask): 8 conn,addr=sock.accept() #4、获取客户端的conn对象和地址 9 print('accetped',conn,'from',addr) 10 conn.setblocking(False) 11 sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read) #5、注册conn对象,将conn对象和函数read绑定 12 13 def read(conn,mask): 14 data=conn.recv(1024) #9、服务端通过conn对象接收消息,进行下面的逻辑处理 15 if data: 16 print('echoing',repr(data),'to',conn) 17 conn.send(data) 18 else: 19 print('closing',conn) 20 sel.unregister(conn) 21 conn.close() 22 23 sock=socket.socket() 24 sock.bind(('127.0.0.1',8088)) 25 sock.listen(100) 26 sock.setblocking(False) 27 sel.register(sock,selectors.EVENT_READ,accept) #sock对象注册绑定accept函数 28 29 while True: 30 #不管是哪个方式,都是使用select方法监听活动的socket对象 31 events=sel.select() #1、执行sel阻塞监听,当有客户端连接,激活sock对象,返回一个存放活动sock对象相关信息的列表 32 #6、客户端通过conn对象发送消息,激活sel监听列表中的的conn对象,返回一个存放活动conn对象相关信息的列表 33 print(events,type(events)) 34 for key,mask in events: 35 print(mask) 36 print(key.data) #socket对象注册绑定的accept函数 37 print(key.fileobj) 38 callback=key.data #2、取得返回的sock绑定的函数 39 #7、取得返回conn绑定的函数 40 callback(key.fileobj,mask) #3、key.fileobj是sock对象,执行函数 41 #8、执行函数read,并传入conn对象 42 43 44 #客户端 45 import socket 46 sock=socket.socket() 47 sock.connect(("127.0.0.1", 8088)) 48 while True: 49 data=input('>>>').strip() 50 sock.send(data.encode('utf8')) 51 s_data = sock.recv(1024) 52 print(s_data.decode('utf8'))