• python--(协程 和 I/O多路复用)


    python--(协程 和 I/O多路复用)

    一.协程

    1.  >>>单线程下实现并发, 最大化线程的效率, 检测 IO 并自动切换,程序级别的任务切换, 之前多进程多线程都是系统级别的切换, 程序级别的切换比系统要快的多.

     

    #协程:单线程下实现并发
    #并发:伪并行,遇到IO就切换,单核下多个任务之间切换执行,给你的效果就是貌似你的几个程序在同时执行.提高效率  #多线程多进程下的任务切换+保存状态是操作系统
    #任务切换 + 保存状态
    #并行:多核cpu,真正的同时执行
    #串行:一个任务执行完在执行另外一个任务

     

    # 串行
    # import time
    #
    # def func1():
    #     time.sleep(1)
    #     print('func1')
    #
    # def func2():
    #     time.sleep(2)
    #     print('func2')
    #
    # if __name__ == '__main__':
    #     func1()
    #     func2()
    串行

    #基于yield并发执行,多任务之间来回切换,这就是个简单的协程的体现,但是他不能节省I/O时间.

    import time
    def consumer():
        '''任务1:接收数据,处理数据'''
        while True:
            x=yield
            # time.sleep(1) #发现什么?只是进行了切换,但是并没有节省I/O时间
            print('处理了数据:',x)
    def producer():
        '''任务2:生产数据'''
        g=consumer()
        # print('asdfasfasdf')
        next(g)  #找到了consumer函数的yield位置
        for i in range(3):
        # for i in range(10000000):
            g.send(i)  #给yield传值,然后再循环给下一个yield传值,并且多了切换的程序,比直接串行执行还多了一些步骤,导致执行效率反而更低了。
            print('发送了数据:',i)
    start=time.time()
    #基于yield保存状态,实现两个任务直接来回切换,即并发的效果
    #PS:如果每个任务中都加上打印,那么明显地看到两个任务的打印是你一次我一次,即并发执行的.
    producer() #我在当前线程中只执行了这个函数,但是通过这个函数里面的send切换了另外一个任务
    stop=time.time()
    
    # 串行执行的方式
    res=producer()
    consumer(res)
    stop=time.time()
    
    print(stop-start)
    View Code
    import time
    # def consumer():
    #     for i in range(10):
    #         # x=yield
    #         time.sleep(1)
    #         print('处理了数据:',i)
    # def producer():
    #     g=consumer()
    #     next(g)
    #     for i in range(3):
    #         g.send(i)
    #         print('发送了数据:',i)
    # #
    # start=time.time()
    # producer()
    # stop=time.time()
    # print(stop-start)
    
    
    # import time
    # def consumer():
    #     for i in range(4):
    #         time.sleep(1)
    #
    #         print('处理了数据:',i)
    # def producer():
    #     for i in range(3):
    #         print('发送了数据:',i)
    #
    # start=time.time()
    # consumer() #3.00097393989563
    # producer()
    # stop=time.time()
    # print('>>>>>',stop-start)
    
    import time
    def consumer():
        for i in range(4):
            x = yield
            time.sleep(1)
            print('处理了数据:',i)
    def producer():
        g = consumer()
        next(g)
        for i in range(3):
            g.send(i)
            print('发送了数据:',i)
    
    # greenlet
    
    
    # start=time.time()
    # producer()
    # stop=time.time()
    # print(stop-start)
    通过生成器实现单线程下的并发


    2.  Greenlet:  

    #安装:  pip3 install greenlet  

    >>>任务切换 + 保存状态,没有实现IO自动切换,

    >>>greenlet只是提供了一种比 generator 更加便捷的切换方式, 当切到一个任务时如果遇到io, 那就原地阻塞, 仍然是没有解决遇到IO自动切换提升效率的问题.

    import gevent
    from gevent import monkey
    monkey.patch_all()
    import time
    
    def eat(name):
        print('%s eat 1' %name)
        # gevent.sleep(2)
        time.sleep(2)
    
        print('%s eat 2' %name)
    
    def play(name):
        print('%s play 1' %name)
        # gevent.sleep(2)
        time.sleep(2)
        print('%s play 2' %name)
    
    g1=gevent.spawn(eat,'egon') #异步执行这个eat任务,后面egon就是给他传的参数
    g2=gevent.spawn(play,name='egon')
    # g1.join()
    # g2.join()
    gevent.joinall([g1,g2])
    
    print('')
    gevent的使用

    3.Gevent  

    #安装:  pip3 install gevent

    >>>任务切换 + 保存状态,实现了IO自动切换,并且通过monkey 能够识别到基本上所有的IO操作.

    >>>Gevent 是一个第三方库,可以轻松通过gevent实现并发同步或异步编程,在gevent中用到的主要模式是Greenlet, 它是以C扩展模块形式接入Python的轻量级协程。 Greenlet全部运行在主程序操作系统进程的内部,但它们被协作式地调度。

    1 = gevent.spawn(func, 1, 2, 3, x=4, y=5)
    #创建一个协程对象g1, spawn口号内第一个参数是函数名,如eat,后面可以有多个参数,可以是位置
    实参或关键字实参,都是传给函数eat的
    g2 = gevent.spawn(func2)
    
    g1.join()   #等待g1结束,上面只是创建协程对象,这个join才是去执行
    g2.join() #等待g2结束  有人测试的时候会发现,不写第二个join也能执行g2,是的,协程帮你切换执行了,但是你会发现,如果g2里面的任务执行的时间长,但是不写join的话,就不会执行完等到g2剩下的任务了
    #或者上述两步合作一步:gevent.joinall([g1,g2])
    
    g1.value#拿到func1的返回值
    import gevent
    from gevent import monkey
    monkey.patch_all()
    import time
    
    def eat(name):
        print('%s eat 1' %name)
        # gevent.sleep(2)
        time.sleep(2)
    
        print('%s eat 2' %name)
    
    def play(name):
        print('%s play 1' %name)
        # gevent.sleep(2)
        time.sleep(2)
        print('%s play 2' %name)
    
    g1=gevent.spawn(eat,'egon') #异步执行这个eat任务,后面egon就是给他传的参数
    g2=gevent.spawn(play,name='egon')
    
    # g1.join()
    # g2.join()
    gevent.joinall([g1,g2])
    
    print('')
    gevent用法

    二.I/O模型介绍

    对于network IO 他会涉及两个系统对象: 
    # 1.调用IO的Process or thread
    # 2.系统内核(kernel)
    当一个read/recv读数据的操作发生时,该操作会经历两个阶段:
    # 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,则会经历 # 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

    1.阻塞IO模型  blocking

    IO 

    2.非阻塞IO模型

    >>>完全没有阻塞,不推荐使用

    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    print('你看看卡在哪')
    server.setblocking(False)
    rlist = []
    rl = []
    while 1:
        try:
            conn, addr = server.accept()
            print(addr)
            rlist.append(conn)
            print('来自%s:%s的链接请求'%(addr[0],addr[1]))
        except BlockingIOError:
            print('去买点药')
    
        # time.sleep(0.1)
        print('rlist',rlist,len(rlist))
        for con in rlist:
            try:
                from_client_msg = con.recv(1024)
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                con.close()
                rl.append(con)
        print('>>>>',rl)
        for remove_con in rl:
            rlist.remove(remove_con)
        rl.clear()
    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    print('你看看卡在哪')
    server.setblocking(False)
    while 1:
        try:
            conn, addr = server.accept()
            print('来自%s的链接请求'%addr)
        except BlockingIOError:
            print('去买点药')
        time.sleep(0.1)
    非阻塞IO
    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    print('你看看卡在哪')
    server.setblocking(False)
    rlist = []
    rl = []
    while 1:
        try:
            conn, addr = server.accept()
            print(addr)
            rlist.append(conn)
            print('来自%s:%s的链接请求'%(addr[0],addr[1]))
        except BlockingIOError:
            print('去买点药')
    
        # time.sleep(0.1)
        print('rlist',rlist,len(rlist))
        for con in rlist:
            try:
                from_client_msg = con.recv(1024)
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                con.close()
                rl.append(con)
        print('>>>>',rl)
        for remove_con in rl:
            rlist.remove(remove_con)
        rl.clear()
    非阻塞IO的socket服务端
    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    print('你看看卡在哪')
    server.setblocking(False)
    rlist = []
    rl = []
    while 1:
        try:
            conn, addr = server.accept()
            print(addr)
            rlist.append(conn)
            print('来自%s:%s的链接请求'%(addr[0],addr[1]))
        except BlockingIOError:
            print('去买点药')
    
        # time.sleep(0.1)
        print('rlist',rlist,len(rlist))
        for con in rlist:
            try:
                from_client_msg = con.recv(1024)
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                con.close()
                rl.append(con)
        print('>>>>',rl)
        for remove_con in rl:
            rlist.remove(remove_con)
        rl.clear()
    非阻塞塞IO的socket服务端
    # 服务端
    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    
    server.setblocking(False) #设置不阻塞
    r_list=[]  #用来存储所有来请求server端的conn连接
    w_list={}  #用来存储所有已经有了请求数据的conn的请求数据
    
    while 1:
        try:
            conn,addr=server.accept() #不阻塞,会报错
            r_list.append(conn)  #为了将连接保存起来,不然下次循环的时候,上一次的连接就没有了
        except BlockingIOError:
            # 强调强调强调:!!!非阻塞IO的精髓在于完全没有阻塞!!!
            # time.sleep(0.5) # 打开该行注释纯属为了方便查看效果
            print('在做其他的事情')
            print('rlist: ',len(r_list))
            print('wlist: ',len(w_list))
    
    
            # 遍历读列表,依次取出套接字读取内容
            del_rlist=[] #用来存储删除的conn连接
            for conn in r_list:
                try:
                    data=conn.recv(1024) #不阻塞,会报错
                    if not data: #当一个客户端暴力关闭的时候,会一直接收b'',别忘了判断一下数据
                        conn.close()
                        del_rlist.append(conn)
                        continue
                    w_list[conn]=data.upper()
                except BlockingIOError: # 没有收成功,则继续检索下一个套接字的接收
                    continue
                except ConnectionResetError: # 当前套接字出异常,则关闭,然后加入删除列表,等待被清除
                    conn.close()
                    del_rlist.append(conn)
    
    
            # 遍历写列表,依次取出套接字发送内容
            del_wlist=[]
            for conn,data in w_list.items():
                try:
                    conn.send(data)
                    del_wlist.append(conn)
                except BlockingIOError:
                    continue
    
    
            # 清理无用的套接字,无需再监听它们的IO操作
            for conn in del_rlist:
                r_list.remove(conn)
            #del_rlist.clear() #清空列表中保存的已经删除的内容
            for conn in del_wlist:
                w_list.pop(conn)
            #del_wlist.clear()
    
    #客户端
    import socket
    import os
    import time
    import threading
    client=socket.socket()
    client.connect(('127.0.0.1',8083))
    
    while 1:
        res=('%s hello' %os.getpid()).encode('utf-8')
        client.send(res)
        data=client.recv(1024)
    
        print(data.decode('utf-8'))
    
    
    ##多线程的客户端请求版本
    # def func():
    #     sk = socket.socket()
    #     sk.connect(('127.0.0.1',9000))
    #     sk.send(b'hello')
    #     time.sleep(1)
    #     print(sk.recv(1024))
    #     sk.close()
    #
    # for i in range(20):
    #     threading.Thread(target=func).start()
    非阻塞IO模型
    import socket
    import time
    
    server=socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
    server.bind(('127.0.0.1',8083))
    server.listen(5)
    
    server.setblocking(False) #设置不阻塞
    r_list=[]  #用来存储所有来请求server端的conn连接
    w_list={}  #用来存储所有已经有了请求数据的conn的请求数据
    
    while 1:
        try:
            conn,addr=server.accept() #不阻塞,会报错
            r_list.append(conn)  #为了将连接保存起来,不然下次循环的时候,上一次的连接就没有了
        except BlockingIOError:
            # 强调强调强调:!!!非阻塞IO的精髓在于完全没有阻塞!!!
            # time.sleep(0.5) # 打开该行注释纯属为了方便查看效果
            print('在做其他的事情')
            # print('rlist: ',len(r_list))
            # print('wlist: ',len(w_list))
    
    
            # 遍历读列表,依次取出套接字读取内容
            del_rlist=[] #用来存储删除的conn连接
            for conn in r_list:
    
                try:
                    data=conn.recv(1024) #不阻塞,会报错
                    if not data: #当一个客户端暴力关闭的时候,会一直接收b'',别忘了判断一下数据
                        conn.close()
                        del_rlist.append(conn)
                        continue
                    w_list[conn]=data.upper()
    
    
                except BlockingIOError: # 没有收成功,则继续检索下一个套接字的接收
                    continue
                except ConnectionResetError: # 当前套接字出异常,则关闭,然后加入删除列表,等待被清除
                    conn.close()
                    del_rlist.append(conn)
    
    
            # 遍历写列表,依次取出套接字发送内容
            del_wlist=[]
            for conn,data in w_list.items():
                try:
                    conn.send(data)
                    del_wlist.append(conn)
                except BlockingIOError:
                    continue
    
    
            # 清理无用的套接字,无需再监听它们的IO操作
            for conn in del_rlist:
                r_list.remove(conn)
            #del_rlist.clear() #清空列表中保存的已经删除的内容
            for conn in del_wlist:
                w_list.pop(conn)
            #del_wlist.clear()
    完整的IO非阻塞模板

    虽然我们上面的代码通过设置非阻塞,规避了IO操作,但是非阻塞IO模型绝不被推荐。

      我们不能否则其优点: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)。

      但是也难掩其缺点:

    #1. 循环调用recv()将大幅度推高CPU占用率;这也是我们在代码中留一句time.sleep(2)的原因,否则在低配主机下极容易出现卡机情况
    #2. 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。

    3.IO多路复用:三种机制

      Select: 代理监听所有的需要使用的对象,轮训自己监听的那个列表.windows  linux

      Poll:  没有监听数量的限制  linux

      Epoll:  回调机制  Linux

      Seletor:  根据系统自动选择一个最优的机制

     

    python中的select模块:

    复制代码
    import select
    
    fd_r_list, fd_w_list, fd_e_list = select.select(rlist, wlist, xlist, [timeout])
    
    参数: 可接受四个参数(前三个必须)
        rlist: wait until ready for reading  #等待读的对象,你需要监听的需要获取数据的对象列表
        wlist: wait until ready for writing  #等待写的对象,你需要写一些内容的时候,input等等,也就是说我会循环他看看是否有需要发送的消息,如果有我取出这个对象的消息并发送出去,一般用不到,这里我们也给一个[]。
        xlist: wait for an “exceptional condition”  #等待异常的对象,一些额外的情况,一般用不到,但是必须传,那么我们就给他一个[]。
        timeout: 超时时间
        当超时时间 = n(正整数)时,那么如果监听的句柄均无任何变化,则select会阻塞n秒,之后返回三个空列表,如果监听的句柄有变化,则直接执行。
    返回值:三个列表与上面的三个参数列表是对应的
      select方法用来监视文件描述符(当文件描述符条件不满足时,select会阻塞),当某个文件描述符状态改变后,会返回三个列表
        1、当参数1 序列中的fd满足“可读”条件时,则获取发生变化的fd并添加到fd_r_list中
        2、当参数2 序列中含有fd时,则将该序列中所有的fd添加到 fd_w_list中
        3、当参数3 序列中的fd发生错误时,则将该发生错误的fd添加到 fd_e_list中
        4、当超时时间为空,则select会一直阻塞,直到监听的句柄发生变化

     

      结论: select的优势在于可以处理多个连接,不适用于单个连接  

    #服务端
    from socket import *
    import select
    server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
    server.bind(('127.0.0.1',8093))
    server.listen(5)
    # 设置为非阻塞
    server.setblocking(False)
    
    # 初始化将服务端socket对象加入监听列表,后面还要动态添加一些conn连接对象,当accept的时候sk就有感应,当recv的时候conn就有动静
    rlist=[server,]
    rdata = {}  #存放客户端发送过来的消息
    
    wlist=[]  #等待写对象
    wdata={}  #存放要返回给客户端的消息
    
    print('预备!监听!!!')
    count = 0 #写着计数用的,为了看实验效果用的,没用
    while True:
        # 开始 select 监听,对rlist中的服务端server进行监听,select函数阻塞进程,直到rlist中的套接字被触发(在此例中,套接字接收到客户端发来的握手信号,从而变得可读,满足select函数的“可读”条件),被触发的(有动静的)套接字(服务器套接字)返回给了rl这个返回值里面;
        rl,wl,xl=select.select(rlist,wlist,[],0.5)
        print('%s 次数>>'%(count),wl)
        count = count + 1
        # 对rl进行循环判断是否有客户端连接进来,当有客户端连接进来时select将触发
        for sock in rl:
            # 判断当前触发的是不是socket对象, 当触发的对象是socket对象时,说明有新客户端accept连接进来了
            if sock == server:
                # 接收客户端的连接, 获取客户端对象和客户端地址信息
                conn,addr=sock.accept()
                #把新的客户端连接加入到监听列表中,当客户端的连接有接收消息的时候,select将被触发,会知道这个连接有动静,有消息,那么返回给rl这个返回值列表里面。
                rlist.append(conn)
            else:
                # 由于客户端连接进来时socket接收客户端连接请求,将客户端连接加入到了监听列表中(rlist),客户端发送消息的时候这个连接将触发
                # 所以判断是否是客户端连接对象触发
                try:
                    data=sock.recv(1024)
                    #没有数据的时候,我们将这个连接关闭掉,并从监听列表中移除
                    if not data:
                        sock.close()
                        rlist.remove(sock)
                        continue
                    print("received {0} from client {1}".format(data.decode(), sock))
                    #将接受到的客户端的消息保存下来
                    rdata[sock] = data.decode()
    
                    #将客户端连接对象和这个对象接收到的消息加工成返回消息,并添加到wdata这个字典里面
                    wdata[sock]=data.upper()
                    #需要给这个客户端回复消息的时候,我们将这个连接添加到wlist写监听列表中
                    wlist.append(sock)
                #如果这个连接出错了,客户端暴力断开了(注意,我还没有接收他的消息,或者接收他的消息的过程中出错了)
                except Exception:
                    #关闭这个连接
                    sock.close()
                    #在监听列表中将他移除,因为不管什么原因,它毕竟是断开了,没必要再监听它了
                    rlist.remove(sock)
        # 如果现在没有客户端请求连接,也没有客户端发送消息时,开始对发送消息列表进行处理,是否需要发送消息
        for sock in wl:
            sock.send(wdata[sock])
            wlist.remove(sock)
            wdata.pop(sock)
    
        # #将一次select监听列表中有接收数据的conn对象所接收到的消息打印一下
        # for k,v in rdata.items():
        #     print(k,'发来的消息是:',v)
        # #清空接收到的消息
        # rdata.clear()
    
    ---------------------------------------
    #客户端
    from socket import *
    
    client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    client.connect(('127.0.0.1',8093))
    
    
    while True:
        msg=input('>>: ').strip()
        if not msg:continue
        client.send(msg.encode('utf-8'))
        data=client.recv(1024)
        print(data.decode('utf-8'))
    
    client.close()
    select运用IO多路复用


    4.异步IO操作

    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操作系统会等待数据(阻塞)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。

     

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