一、I/O模型
IO在计算机中指Input/Output，也就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留，由CPU这个超快的计算核心来执行，涉及到数据交换的地方，通常是磁盘、网络等，就需要IO接口。
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。
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）
- asynchronous IO （异步IO）
- signal driven IO （信号驱动IO）
由于signal driven IO在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种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，它会经历两个阶段：
- 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
- 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)
记住这两点很重要，因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。
二、 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执行的两个阶段都被block了。
三、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。所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
注意：
在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，”非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 ‘被’ CPU光顾”。即每次recvform系统调用之间，cpu的权限还在进程手中，这段时间是可以做其他事情的，也就是说非阻塞的recvform系统调用之后，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。
import time
import socket
sk = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sk.bind((‘127.0.0.1‘, 8080))
sk.listen(5)
sk.setblocking(False) #设置套接字为非阻塞模式
while True:
try:
print(‘waiting client connection .......‘)
connection, address = sk.accept() # 进程主动轮询
print("+++", address)
client_messge = connection.recv(1024)
print(str(client_messge, ‘utf8‘))
connection.close()
except Exception as e:
print(e)
time.sleep(4)
#############################client
import time
import socket
sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
while True:
sk.connect((‘127.0.0.1‘, 8080))
print("hello")
sk.sendall(bytes("hello", "utf8"))
time.sleep(2)
break
实例
以上实例，服务段端每隔4秒轮询一次，若没有任何客户端链接，则会抛出错误信息，并继续轮询。
非阻塞IO：
- 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，导致不能实时获取数据，这也会导致整体数据吞吐量的降低。
四、IO multiplexing
IO multiplexing这个词可能有点陌生，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。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system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，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IO multiplexing Model中，实际中，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。
注意：
- select函数返回结果中如果有文件可读了，那么进程就可以通过调用accept()或recv()来让kernel将位于内核中准备到的数据copy到用户区。
- select的优势在于可以处理多个连接，不适用于单个连接
import select, socket
sock = socket.socket()
sock.bind((‘127.0.0.1‘, 8080))
sock.listen(5)
sock.setblocking(False)
listen_obj = [sock, ]
while True:
r, w, e = select.select(listen_obj, [], [])
for obj in r:
if obj == sock:
conn, addr = obj.accept()
print(‘conn‘, conn)
print(‘addr‘, addr)
listen_obj.append(conn)
else:
data = obj.recv(1024)
print(data.decode(‘utf8‘))
send_data = input(‘>>>‘)
obj.send(send_data.encode(‘utf8‘))
#############################client
import socket
sock = socket.socket()
sock.connect((‘127.0.0.1‘, 8080))
while True:
data = input(‘>>>‘)
sock.send(data.encode(‘utf8‘))
recv_data = sock.recv(1024)
print(recv_data.decode(‘utf8‘))
sock.close()
实例
以上实例，服务端kernel监听select负责的listen_obj中的所有socket对象。当任何一个socket对象激活，根据其类型判断是否建立通信。
五、asynchronous I/O
linux下的asynchronous IO其实用得很少。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，当它收到一个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。
很明显，使用异步IO来编写程序性能会远远高于同步IO，但是异步IO的缺点是编程模型复杂。
六、IO模型比较
到目前为止，已经将四个IO Model都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题：blocking和non-blocking的区别在哪，synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。
先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。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还准备数据的情况下会立刻返回。
在说明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 operation completes;
- 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，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。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。
七、selectors模块
This module allows high-level and efficient I/O multiplexing, built upon the select module primitives. Users are encouraged to use this module instead, unless they want precise control over the OS-level primitives used.
selectors是对select的封装，能够高效实现I/O复用，推荐使用！
import selectors
import socket
sock = socket.socket()
sock.bind((‘127.0.0.1‘, 8080))
sock.listen(5)
sel = selectors.DefaultSelector() # 根据具体平台选择最佳IO多路复用机制；linux：epoll（epoll|kqueue|devpoll > poll > select）
def read(conn, mask):
try: # 客户端终止，捕获异常并将其从监听列表中移除
data = conn.recv(1024)
print(data.decode(‘utf8‘))
re_data = input(‘>>>‘)
conn.send(re_data.encode(‘utf8‘))
except Exception:
sel.unregister(conn) # 解除事件注册
def accept(sock, mask):
conn, addr = sock.accept()
sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read) # 注册事件，若conn触发，执行read函数
sel.register(sock, selectors.EVENT_READ, accept) # 注册事件，若sock触发，执行accept函数
while True:
print(‘wating...‘)
events = sel.select() # 监听
for key, mask in events:
func = key.data # 包含accept和read函数
obj = key.fileobj # 包含sock和conn
func(obj, mask) # accept(sock, mask);read(conn, mask)
服务端
服务端
import socket
sock = socket.socket()
sock.connect((‘127.0.0.1‘, 8080))
while True:
data = input(‘>>>‘)
sock.send(data.encode(‘utf8‘))
recv_data = sock.recv(1024)
print(recv_data.decode(‘utf8‘))
sock.close()
客户端
客户端
好了，到这里关于网络编程的知识也就要告一段落了。