Python 全栈之路系列之 IO 多路复用

文章目录

多路复用示例

What is IO Multiplexing

IO 多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个 IO 条件准备读取,它就通知该进程。

举例说明

你是一名老师(线程),上课了(启动线程),这节课是自习课,学生都在自习,你也在教室里面坐着,只看着这帮学生,什么也不干(休眠状态),课程进行到一半时,A 同学(socket)突然拉肚子,举手说:老湿我要上厕所(read),然后你就让他去了,过了一会,B 同学(socket)在自习的过程中有个问题不太懂,就请你过去帮她解答下(write),然后你就过去帮他解答了。

上述这种情况就是 IO 多路复用,你就是一个 IO,那么你解决了 A 同学的问题和 B 同学的问题,这就是复用,多路网络连接复用一个 io 线程。

与多进程和多线程技术相比,I/O 多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。

目前常见支持 I/O 多路复用的系统调用有 select,poll,epoll,I/O 多路复用就是通过一种机制,一个进程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),能够通知程序进行相应的读写操作。

What is a select

select 监视的文件描述符分 3 类,分别是 writefds、readfds 和 exceptfds,程序启动后 select 函数会阻塞,直到有描述符就绪(有数据 可读、可写、或者有 except),或者超时(timeout 指定等待时间,如果立即返回设为 null 即可),函数返回,当 select 函数返回后,可以通过遍历 fdset,来找到就绪的描述符。

特点

  1. select 最大的缺陷就是单个进程所打开的 FD 是有一定限制的,它由 FD_SETSIZE 设置,默认值是 1024;
  2. 对 socket 进行扫描时是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低;
  3. 需要维护一个用来存放大量 fd 的数据结构,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大;

Python 实现 select 模型代码

#!/usr/bin/env python
# _*_coding:utf-8 _*_

import select
import socket

sk1 = socket.socket()
sk1.bind(('127.0.0.1', 8002, ))
sk1.listen()

demo_li = [sk1]
outputs = []
message_dict = {}

while True:
r_list, w_list, e_list = select.select(sk1, outputs, [], 1)

print(len(demo_li),r_list)

for sk1_or_conn in r_list:

if sk1_or_conn == sk1:
conn, address = sk1_or_conn.accept()
demo_li.append(conn)
message_dict[conn] = []
else:
try:
data_bytes = sk1_or_conn.recv(1024)
# data_str = str(data_bytes, encoding="utf-8")
# print(data_str)
# sk1_or_conn.sendall(bytes(data_str+"good", encoding="utf-8"))
except Exception as e:
demo_li.remove(sk1_or_conn)
else:
data_str = str(data_bytes, encoding="utf-8")
message_dict[sk1_or_conn].append(data_str)
outputs.append(sk1_or_conn)

for conn in w_list:
recv_str = message_dict[conn][0]
del message_dict[conn][0]
conn.sendall(bytes(recv_str+"Good", encoding="utf-8"))
outputs.remove(conn)

What is a poll

基本原理

poll 本质上和 select 没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个 fd 对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有 fd 后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历 fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的,但是同样有一个缺点:

  1. 大量的 fd 的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。
  2. poll 还有一个特点是“水平触发”,如果报告了 fd 后,没有被处理,那么下次 poll 时会再次报告该 fd。

What is a epoll

epoll 是在 2.6 内核中提出的,是之前的 select 和 poll 的增强版本。相对于 select 和 poll 来说,epoll 更加灵活,没有描述符限制。epoll 使用一个文件描述符管理多个描述符,将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中,这样在用户空间和内核空间的 copy 只需一次。

基本原理

epoll 支持水平触发和边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些 fd 刚刚变为就绪态,并且只会通知一次。还有一个特点是,epoll 使用“事件”的就绪通知方式,通过 epoll_ctl 注册 fd,一旦该 fd 就绪,内核就会采用类似 callback 的回调机制来激活该 fd,epoll_wait 便可以收到通知。

epoll 的优点

  1. 没有最大并发连接的限制,能打开的 FD 的上限远大于 1024(1G 的内存上能监听约 10 万个端口)。
  2. 效率提升,不是轮询的方式,不会随着 FD 数目的增加效率下降。只有活跃可用的 FD 才会调用 callback 函数;即 epoll 最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,epoll 的效率就会远远高于 select 和 poll。
  3. 内存拷贝,利用 mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即 epoll 使用 mmap 减少复制开销。

epoll 对文件描述符的操作有两种模式:LT(level trigger)和 ET(edge trigger)。LT 模式是默认模式,LT 模式与 ET 模式的区别如下:

LT 模式

LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的。

当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序可以不立即处理该事件。下次调用 epoll_wait 时,会再次响应应用程序并通知此事件。

ET 模式

ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持非阻塞套接字(no-block socket)。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过 epoll 告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个 EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个 fd 作 IO 操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once)。ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。epoll 工作在 ET 模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序必须立即处理该事件。如果不处理,下次调用 epoll_wait 时,不会再次响应应用程序并通知此事件。

在 select/poll 中,进程只有在调用一定的方法后,内核才对所有监视的文件描述符进行扫描,而 epoll 事先通过 epoll_ctl()来注册一个文件描述符,一旦基于某个文件描述符就绪时,内核会采用类似 callback 的回调机制,迅速激活这个文件描述符,当进程调用 epoll_wait()时便得到通知。(此处去掉了遍历文件描述符,而是通过监听回调的的机制。这正是 epoll 的魅力所在。)