Python从入门到精通之IO模型

IO模型介绍

为了更好地了解IO模型，我们需要事先回顾下：同步、异步、阻塞、非阻塞

同步（synchronous） IO和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分别是什么，到底有什么区别？这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同，比如wiki，就认为asynchronous IO和non-blocking IO是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同，并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以，为了更好的回答这个问题，先限定一下本文的上下文。
本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。本文最重要的参考文献是Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”，Stevens在这节中详细说明了各种IO的特点和区别，如果英文够好的话，推荐直接阅读。Stevens的文风是有名的深入浅出，所以不用担心看不懂。本文中的流程图也是截取自参考文献。
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。

再说一下IO发生时涉及的对象和步骤。对于一个network IO (这里我们以read举例)，它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，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)

阻塞IO(blocking IO)

　在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：
　
　

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。

所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段（等待数据和拷贝数据两个阶段）都被block了。
几乎所有的程序员第一次接触到的网络编程都是从listen()、send()、recv() 等接口开始的，使用这些接口可以很方便的构建服务器/客户机的模型。然而大部分的socket接口都是阻塞型的。如下图

ps：所谓阻塞型接口是指系统调用（一般是IO接口）不返回调用结果并让当前线程一直阻塞，只有当该系统调用获得结果或者超时出错时才返回。

实际上，除非特别指定，几乎所有的IO接口 ( 包括socket接口 ) 都是阻塞型的。这给网络编程带来了一个很大的问题，如在调用recv(1024)的同时，线程将被阻塞，在此期间，线程将无法执行任何运算或响应任何的网络请求。

一个简单的解决方案：

在服务器端使用多线程（或多进程）。多线程（或多进程）的目的是让每个连接都拥有独立的线程（或进程），这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。

该方案的问题是：

开启多进程或都线程的方式，在遇到要同时响应成百上千路的连接请求，则无论多线程还是多进程都会严重占据系统资源，降低系统对外界响应效率，而且线程与进程本身也更容易进入假死状态。

改进方案：

很多程序员可能会考虑使用“线程池”或“连接池”。“线程池”旨在减少创建和销毁线程的频率，其维持一定合理数量的线程，并让空闲的线程重新承担新的执行任务。“连接池”维持连接的缓存池，尽量重用已有的连接、减少创建和关闭连接的频率。这两种技术都可以很好的降低系统开销，都被广泛应用很多大型系统，如websphere、tomcat和各种数据库等。

改进后方案其实也存在着问题：

“线程池”和“连接池”技术也只是在一定程度上缓解了频繁调用IO接口带来的资源占用。而且，所谓“池”始终有其上限，当请求大大超过上限时，“池”构成的系统对外界的响应并不比没有池的时候效果好多少。所以使用“池”必须考虑其面临的响应规模，并根据响应规模调整“池”的大小。

对应上例中的所面临的可能同时出现的上千甚至上万次的客户端请求，“线程池”或“连接池”或许可以缓解部分压力，但是不能解决所有问题。总之，多线程模型可以方便高效的解决小规模的服务请求，但面对大规模的服务请求，多线程模型也会遇到瓶颈，可以用非阻塞接口来尝试解决这个问题。

非阻塞IO(non-blocking 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。
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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。

非阻塞IO实例：
server:

from socket import *


s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
s.setblocking(False)
s.bind(('127.0.0.1', 8000))
s.listen()

conn_lst = []
del_lst = []

while True:
    try:
        conn, addr = s.accept()
        conn_lst.append(conn)
    except BlockingIOError:
        for conn in conn_lst:
            # 这句很关键！ socket设置阻塞后，并不会影响到recv方法，需要对每个conn再次设置超时！！！
            conn.settimeout(0)
            try:
                data = conn.recv(1024)
                if not data:
                    del_lst.append(conn)
                    continue
                print(data.decode())
                conn.send(data.upper())
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                del_lst.append(conn)
        for conn in del_lst:
            conn_lst.remove(conn)
        del_lst = []

client:

from socket import *


c = socket()
c.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    msg = input('>>>: ').strip()
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode())
    data = c.recv(1024)
    print(data.decode())

这种轮询的方式使CPU一直在空转，很浪费资源。
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）。
轮询的方式缺点如下：

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。

多路复用IO(IO multiplexing)

我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

当用户进程调用了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。
这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

• 如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

• 在多路复用模型中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

  结论: select的优势在于可以处理多个连接，不适用于单个连接*

SelectSever.py:

# coding utf-8

from socket import *
import select


s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
s.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
s.bind(('127.0.0.1', 8000))
s.listen(5)
s.setblocking(False)
read_lst = [s, ]

while True:
    r_l, w_l, x_l = select.select(read_lst, [], [])
    print(r_l)
    for ready_obj in r_l:
        if ready_obj == s:
            conn, addr = ready_obj.accept()
            # print('+++++++++++++++++       ', conn.gettimeout())
            read_lst.append(conn)
        else:
            try:
                data = ready_obj.recv(1024)
                if not data:
                    ready_obj.close()
                    read_lst.remove(ready_obj)
                    continue
                print(data.decode())
                ready_obj.send(data.upper())
            except ConnectionResetError:
                ready_obj.close()
                read_lst.remove(ready_obj)

SelectClient.py:

from socket import *


c = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    msg = input(">>>: ").strip()
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode())
    data = c.recv(1024)
    print(data.decode())

select监听fd变化的过程分析：

用户进程创建socket对象，拷贝监听的fd到内核空间，每一个fd会对应一张系统文件表，内核空间的fd响应到数据后，就会发送信号给用户进程数据已到；
用户进程再发送系统调用，比如（accept）将内核空间的数据copy到用户空间，内核空间的数据清除，这样重新监听时fd再有新的数据又可以响应到了（发送端因为基于TCP协议所以需要收到应答后才会清除）。

该模型的优点：

相比其他模型，使用select() 的事件驱动模型只用单线程（进程）执行，占用资源少，不消耗太多 CPU，同时能够为多客户端提供服务。如果试图建立一个简单的事件驱动的服务器程序，这个模型有一定的参考价值。

该模型的缺点：

首先select()接口并不是实现“事件驱动”的最好选择。因为当需要探测的句柄值较大时，select()接口本身需要消耗大量时间去轮询各个句柄。
很多操作系统提供了更为高效的接口，如linux提供了epoll，BSD提供了kqueue，Solaris提供了/dev/poll，…
如果需要实现更高效的服务器程序，类似epoll这样的接口更被推荐。遗憾的是不同的操作系统特供的epoll接口有很大差异，
所以使用类似于epoll的接口实现具有较好跨平台能力的服务器会比较困难。
其次，该模型将事件探测和事件响应夹杂在一起，一旦事件响应的执行体庞大，则对整个模型是灾难性的。

异步IO(Asynchronous I/O)

Linux下的asynchronous IO其实用得不多，从内核2.6版本才开始引入。先看一下它的流程：

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模型比较分析

blocking vs non_blocking:

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking
IO在kernel还在准备数据的情况下会立刻返回。

synchronous IO和asynchronous IO：

再说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。Stevens给出的定义（其实是POSIX的定义）是这样子的：
A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operationcompletes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，四个IO模型可以分为两大类，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO这一类，而 asynchronous I/O后一类 。

有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。
各个IO Model的比较如图所示：

经过上面的介绍，会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

select、poll、epoll区别：

• select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。
• select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

selectors模块

IO复用：一个进程可以同时对多个客户请求进行服务。也就是说IO复用的“介质”是进程(准确的说复用的是select和poll，因为进程也是靠调用select和poll来实现的)，复用一个进程(select和poll)来对多个IO进行服务，虽然客户端发来的IO是并发的但是IO所需的读写数据多数情况下是没有准备好的，因此就可以利用一个函数(select和poll)来监听IO所需的这些数据的状态，一旦IO有数据可以进行读写了，进程就来对这样的IO进行服务。

理解完IO复用后，我们在来看下实现IO复用中的三个API(select、poll和epoll)的区别和联系：

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制，I/O多路复用就是通过一种机制，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），能够通知应用程序进行相应的读写操作。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。三者的原型如下所示：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

• select：
  目前支持几乎所有的平台
  默认单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在linux上默认只支持1024个socket
  内核准备好数据后通知用户有数据了，但不告诉用户是哪个连接有数据，用户只能通过轮询的方式来获取数据
  只支持水平触发
  每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
  同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也会很大
• poll:
  与select没有本质上的差别，仅仅是没有了最大文件描述符数量的限制
  只支持水平触发
  只是一个过渡版本，很少用
• epoll:
  Linux2.6才出现的epoll，具备了select和poll的一切优点，公认为性能最好的多路IO就绪通知方法
  没有最大文件描述符数量的限制
  同时支持水平触发和边缘触发
  不支持windows平台
  内核准备好数据以后会通知用户哪个连接有数据了
  IO效率不随fd数目增加而线性下降
  使用mmap加速内核与用户空间的消息传递

select、poll、epoll详解：http://blog.51cto.com/itchentao/1895407
这三种IO多路复用模型在不同的平台有着不同的支持，而epoll在windows下就不支持，好在我们有selectors模块，帮我们默认选择当前平台下最合适的：
服务端：

from socket import *
import selectors


sel = selectors.DefaultSelector()


def accept(server_obj, mask):
    conn, addr = server_obj.accept()
    sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read)


def read(conn, mask):
    try:
        data = conn.recv(1024)
        print(data.decode())
        if not data:
            print('closing %s ...'%conn)
            sel.unregister(conn)
            conn.close()
            return
        conn.send(data.upper())
    except Exception:
        print('closing %s ...'%conn)
        sel.unregister(conn)
        conn.close()


sever_fileobj = socket()
sever_fileobj.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
sever_fileobj.bind(('127.0.0.1', 8000))
sever_fileobj.listen(5)
sever_fileobj.setblocking(False)
sel.register(sever_fileobj, selectors.EVENT_READ, accept)

while True:
    events = sel.select()
    for sel_obj, mask in events:
        callback = sel_obj.data
        callback(sel_obj.fileobj, mask)

客户端：

from socket import *


c = socket()
c.connect(('127.0.0.1', 8000))

while True:
    msg = input('>>>: ').strip()
    if not msg:continue
    c.send(msg.encode())
    data = c.recv(1024)
    print(data.decode())