IO同步、异步与多路复用

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1. 重要概念

1.1 同步、异步

函数或方法被调用的时候，调用者是否能得到最终结果。直接得到最终结果的，就是同步调用，不直接得到最终结果的，就是异步调用。

1.2 阻塞、非阻塞

函数或方法调用的时候，是否like返回，立即返回就是非阻塞调用，不立即返回就是阻塞调用。

同步、异步，与阻塞、给阻塞不相关，同步、异步强调的是，是否得到最终的结果，阻塞、非阻塞强调是时间，是否等待。

同步与异步区别在于：调用者是否得到了想要的最终结果。 同步就是一直要执行到返回最终结果； 异步就是直接返回了，但是返回的不是最终结果。调用者不能通过这种调用得到结果，需要通过被调用者的其它方 式通知调用者，来取回最终结果。 阻塞与非阻塞的区别在于，调用者是否还能干其他事。 阻塞，调用者就只能干等； 非阻塞，调用者可以先去忙会别的，不用一直等。

1.3 操作系统知识

X86 CPU有4种工作级别：

Ring0，可以执行特权指令，可以访问所有级别数据，可以访问IO设备等。Ring3级，级别最低，只能访问本级别数据。内核代码运行在Ring0，用户代码运行在Ring3。

操作系统中，内核程序独立且运行在 较高的特权级别上，它们驻留在被保护的内存空间上，拥有访问硬件的所有权限，这部分内存称为内核空间（内核态）

普通应用程序运行在用户空间（用户态）。应用程序想访问某些硬件资源就需要通过操作系统提供的系统调用，系统调用可以使用特权指令运行在内核空间，此时进程陷入内核态运行。系统调用完成，进程将返回到用户态执行用户空间代码。

1.4 同步IO、异步IO、IO多路复用

1.4.1 IO两个阶段

1. 数据准备阶段。内核从设备读取数据到内核空间的缓冲区
2. 内核空间复制回用户空间进程缓冲区阶段

发生IO的时候：

1. 内核从IO设备读数据
2. 进程从内核复制数据

1.5 IO模型

1.5.1 同步IO

同步IO模型包括阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用

阻塞IO：

进程等待（阻塞），直到读写完成。（全程等待）

非阻塞IO：

进程调用recvfrom操作，如果IO设备没有准备好，立即返回ERROR，进程不阻塞。用户可以再次发起系统调用（可以轮询）。如果内核已经准备好，就阻塞，然后复制数据到用户空间。

第一阶段数据没有准备好，可以先忙别的，等会再来看看，检查数据是否准备好了的过程是非阻塞的。第二阶段是阻塞的，即内核空间和用户空间之间复制数据是阻塞的。

IO多路复用：

所谓IO多路复用，就是同时监控多个IO，有一个准备好了，就不需要等了开始处理，提高了同时处理IO的能力。select几乎所有操作系统平台都支持，poll是对select的升级。epoll，Linux系统内核2.5+开始支持，对select和poll的升级，在监视的基础上，增加了回调机制。BSD、Mac平台有kqueue，Windows有iocp。

 

以select为例，将关注的IO操作告诉select函数并调用，进程阻塞，内核“监视”关注的文件描述符fd，被关注的任意一个fd对应的IO准备好了数据，select返回。再使用read将数据复制到用户进程。

一般情况下，select最多能监听1024个fd，但是由于select采用轮询的方式，当管理的IO多了，每次都要 遍历全部fd，效率低下。epoll没有管理的fd上限，且是回调机制，不需遍历，效率很高。

信号驱动IO：

进程在IO访问时，先通过sigaction系统调用，提交一个信号处理函数，立即返回，进程不阻塞。当内核准备好数据后，产生一个SIGIO信号并投递给信号处理函数，可以在此函数中调用recvfrom函数操作数据从内核空间复制到用户空间，这段过程阻塞。

异步IO：  （注意：回调是被调用者做得，不是调用者）

进程发起异步IO请求，立即返回。内核完成IO的两个阶段，内核给进程发一个信号。在整个过程中，进程都可以忙别的，等好了再过来。

Linux的aio的系统调用，内核从版本二2.6开始支持：

1.6 python中的IO多路复用

IO多路复用:

• 大多数操作系统都支持select和poll
• Linux2.5+支持epoll
• BSD、Mac支持kqueue
• Solaris实现了/dev/poll
• WindowsDE IOCP

python的select库实现了select、poll系统调用，这个基本上操作系统都支持。部分实现了epoll，它是底层的额IO多路复用模块。

开发中的选择：

1. 完全跨平台，使用select、poll。但是性能较差。
2. 针对不同操作系统自行选择支持的技术，这样做会提高IO处理的性能。

select维护一个文件描述符数据结构，单个进程使用有上限，通常是1024，线性扫面这个数据结构，效率低。poll和select的区别是内部数据结构使用链表，没有这个最大限制，但是依然要遍历才能知道哪个设备就绪了。epoll、使用事件通知机制，使用回调机制提高效率。select、poll还要从内核空间复制数据到用户空间，而epoll通过内核空间和用户空间共享一块内存来减少复制。

1.6.1 selectors库

poython3.4提供了selectors库，高级的IO复用库。

类层次结构：

selectors.DefaultSelector返回当前平台最有效、性能最高的实现。但是没有实现Windows下的IOCP，所以，Windows下只能退化为select。

# 在selects模块源码最下面有如下代码
# Choose the best implementation, roughly:
# epoll|kqueue|devpoll > poll > select.
# select() also can't accept a FD > FD_SETSIZE (usually around 1024)
if 'KqueueSelector' in globals():
    DefaultSelector = KqueueSelector
elif 'EpollSelector' in globals():
    DefaultSelector = EpollSelector
elif 'DevpollSelector' in globals():
    DefaultSelector = DevpollSelector
elif 'PollSelector' in globals():
    DefaultSelector = PollSelector
else:
    DefaultSelector = SelectSelector

事件注册：

class SelectSelector(BaseselctorImpol):
    """Select-based selector."""
    def register(fileobj, events, data=None) -> SelectorKey: 
        pass

• 为selector注册一个文件对象，监视它的IO事件，返回SelectorKey对象。
• fileobj 被监视文件对象，例如socket对象
• events 事件，该文件对象必须等待的事件
• data 可选的与此文件对象相关联的不透明数据，例如，关联用来存储每个客户端的会话ID，关联方法。通过这个 参数在关注的事件产生后让selector干什么事。

EVENT_READ =  (1 << 0)

EVENT_WRITE =  (1 << 1)

这样定义常量的好处是便于合并

selectors.SelectorKey有4个属性：

1. fileobj注册的文件对象
2. fd文件描述符
3. events等待上面的文件描述符的文件对象的事件
4. data注册时关联的数据

IO多路复用实现TCP Server：

import selectors
import socket


s = selectors.DefaultSelector()  # 1拿到selector

# 准备类文件对象
server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1', 9997))
server.listen()

# 官方建议采用非阻塞IO
server.setblocking(False)


def accept(sock: socket.socket, mas: int):
    conn, r_address = sock.accept()
    # print(conn)
    # print(r_address)
    print(mas)
    # pass
    conn.setblocking(False)
    key1 = s.register(conn, selectors.EVENT_READ, rec)
    print(key1)


def rec(conn: socket.socket, mas: int):
    print(mas)
    data = conn.recv(1024)
    print(data)

    msg = 'Your msg = {} form {}'.format(data.decode(), conn.getpeername())
    conn.send(msg.encode())


# 2注册关注的类文件对象和其事件们
key = s.register(server, selectors.EVENT_READ, accept)  # socket fileobject
print(key)

while True:
    events = s.select()  # epoll select,默认是阻塞的
    # 当你注册时的文件对象们，这其中的至少一个对象关注的事件就绪了，就不阻塞了
    print(events)  # 获得了就绪的对象们，包括就绪的事件，还会返回data

    for key, mask in events:  # event =>key, mask
        # 每一个event都是某一个被观察的就绪的对象
        print(type(key), type(mask))   # key, mask
        # <class 'selectors.SelectorKey'> <class 'int'>
        print(key.data)
        # <function accept at 0x0000000001EA3A60>
        key.data(key.fileobj, mask)  # mask为掩码

server.close()
s.close()

IO多路复用实现群聊：

# IO多路复用，实现TCP版本的群聊
import socket
import threading
import selectors
import logging


FORMAT = "%(threadName)s %(thread)d %(message)s"
logging.basicConfig(format=FORMAT, level=logging.INFO)


class ChatServer:

    def __init__(self, ip='127.0.0.1', port=9992):
        self.sock = socket.socket()
        self.address = ip, port
        self.event = threading.Event()

        self.selector = selectors.DefaultSelector()

    def start(self):
        self.sock.bind(self.address)
        self.sock.listen()
        self.sock.setblocking(False)

        key = self.selector.register(self.sock, selectors.EVENT_READ, self.accept)  # 只有一个
        logging.info(key)  # 只有一个
        # self.accept_key = key
        # self.accept_fd = key.fd

        threading.Thread(target=self.select, name='select', daemon=True).start()

    def select(self):

        while not self.event.is_set():
            events = self.selector.select()  # 阻塞
            for key, _ in events:
                key.data(key.fileobj)  # select线程

    def accept(self, sock: socket.socket):  # 在select线程中运行的
        new_sock, r_address = sock.accept()
        new_sock.setblocking(False)
        print('~' * 30)

        key = self.selector.register(new_sock, selectors.EVENT_READ, self.rec)  # 有n个
        logging.info(key)

    def rec(self, conn: socket.socket):  # 在select线程中运行的
        data = conn.recv(1024)
        logging.info(data.decode(encoding='cp936'))

        if data.strip() == b'quit' or data.strip() == b'':
            self.selector.unregister(conn)  # 关闭之前，注销,理解为之前的从字典中移除socket对象
            conn.close()
            return

        for key in self.selector.get_map().values():
            s = key.fileobj
            # if key.fileobj is self.sock:  # 方法一
            #     continue
            # if key == self.accept_key:  # 方法二
            #     continue
            # if key.fd == self.accept_fd:  # 方法三
            #     continue
            # msg = 'Your msg = {} form {}'.format(data.decode(encoding='cp936'), conn.getpeername())
            # s.send(msg.encode(encoding='cp936'))
            # print(key.data)
            # print(self.rec)
            # print(1, key.data is self.rec)  # False
            # print(2, key.data == self.rec)  # True
            if key.data == self.rec:  # 方法四
                msg = 'Your msg = {} form {}'.format(data.decode(encoding='cp936'), conn.getpeername())
                s.send(msg.encode(encoding='cp936'))

    def stop(self):  # 在主线程中运行的
        self.event.set()
        fs = set()
        for k in self.selector.get_map().values():
            fs.add(k.fileobj)
        for f in fs:
            self.selector.unregister(f)  # 相当于以前的释放资源
            f.close()
        self.selector.close()


if __name__ == "__main__":
    cs = ChatServer()
    cs.start()

    while True:
        cmd = input(">>>").strip()
        if cmd == 'quit':
            cs.stop()
            break
        logging.info(threading.enumerate())
        logging.info(list(cs.selector.get_map().keys()))
        # for fd, ke in cs.selector.get_map().items():
        #     logging.info(fd)
        #     print(ke)
        #     print()

总结：

使用IO多路复用 + （select、epoll）并不一定比多线程+ 同步阻塞性能好，其最大的优势是可以处理更多的连接。多线程+同步阻塞IO模式，开辟太多的线程，线程开辟、销毁开销还是较大，倒是可以使用线程池；线程多，线程自己使用的内存也很可观，多线程切换时，要保护现场和恢复现场，线程过多，切换回占用大量的时间 。

连接较少，多线程+同步阻塞IO模式比较合适，效率也不低。如果连接非常多，对服务端来说，IO并发还是比较高的，这时候开辟很多线程其实也不是很划算，此时IO多路复用或许是更好的选择。