5月2日 python学习总结 IO模型

IO模型

1、阻塞IO

2、非阻塞IO

3、多路复用IO

4、异步IO

一、阻塞IO

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。

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。

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。

    

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:

二、非阻塞IO(不推荐使用)一直不断的询问

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。

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。

# 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)
r_list=[]
w_list={}

while 1:
    try:
        conn,addr=server.accept()
        r_list.append(conn)
    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=[]
        for conn in r_list:
            try:
                data=conn.recv(1024)
                if not data:
                    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)

        for conn in del_wlist:
            w_list.pop(conn)

    非阻塞IO的精髓在于完全没有阻塞!!!

    优:

      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:     

      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。

    此外,在这个方案中recv()更多的是起到检测“操作是否完成”的作用,实际操作系统提供了更为高效的检测“操作是否完成“作用的接口,例如select()多路复用模式,可以一次检测多个连接是否活跃。

三、多路复用IO(IO multiplexing)  select帮它询问,集中处理

r1,wl,x1=select.select(r_list,w_list,[],0.5)
    """
    rlist -- wait until ready for reading
    wlist -- wait until ready for writing
    xlist -- wait for an ``exceptional condition‘‘
    If only one kind of condition is required, pass [] for the other lists.
    """

    

IO multiplexing这个词可能有点陌生,但是如果我说select/epoll,大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为事件驱动IO(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。

    强调:

    1. 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。

    2. 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  

  

#服务端
from socket import *
import select
server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server.bind((‘127.0.0.1‘,8093))
server.listen(5)
server.setblocking(False)
print(‘starting...‘)

rlist=[server,]
wlist=[]
wdata={}

while True:
    rl,wl,xl=select.select(rlist,wlist,[],0.5)
    print(wl)
    for sock in rl:
        if sock == server:
            conn,addr=sock.accept()
            rlist.append(conn)
        else:
            try:
                data=sock.recv(1024)
                if not data:
                    sock.close()
                    rlist.remove(sock)
                    continue
                wlist.append(sock)
                wdata[sock]=data.upper()
            except Exception:
                sock.close()
                rlist.remove(sock)

    for sock in wl:
        sock.send(wdata[sock])
        wlist.remove(sock)
        wdata.pop(sock)

    

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,同时作为接受数据端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)。

    

    优:

       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。

    缺: 

     1、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,

     2、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。

四、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。

纯种的异步IO 把 ‘ 从内核拷贝数据到进程 ’ 这个任务交给了内核来做,进程只会被通知数据到达

六、 IO模型比较分析

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。

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。

原文地址:https://www.cnblogs.com/95lyj/p/8997990.html

时间: 2024-10-12 23:29:17

5月2日 python学习总结 IO模型的相关文章

4月12日 python学习总结 继承和派生

一.继承 什么是继承:   继承是一种新建类的方式,在python中支持一个子类继承多个父类   新建类称为子类或派生类   父类可以称之为基类或者超类   子类会遗传父类的属性 2.  为什么继承 减少代码冗余 3. 定义方式: class Parent: pass class SubClass(Parent): pass print(SubClass.__bases__) #查看类的父类 4.  继承,调用父类方法以及self class Foo: def f1(self): print('

4月27日 python学习总结 GIL、进程池、线程池、同步、异步、阻塞、非阻塞

一.GIL:全局解释器锁 1 .GIL:全局解释器锁 GIL本质就是一把互斥锁,是夹在解释器身上的, 同一个进程内的所有线程都需要先抢到GIL锁,才能执行解释器代码 2.GIL的优缺点: 优点:  保证Cpython解释器内存管理的线程安全 缺点:同一进程内所有的线程同一时刻只能有一个执行,也就说Cpython解释器的多线程无法实现并行 二.GIL与多线程 有了GIL的存在,同一时刻同一进程中只有一个线程被执行 听到这里,有的同学立马质问:进程可以利用多核,但是开销大,而python的多线程开销

4月28日 python学习总结 线程与协程

一. 异步与回调机制 问题: 1.任务的返回值不能得到及时的处理,必须等到所有任务都运行完毕才能统一进行处理 2.解析的过程是串行执行的,如果解析一次需要花费2s,解析9次则需要花费18s 解决一: (线程实现异步,回调解析结果) from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor,ThreadPoolExecutor from threading import current_thread import requests import os i

6月11日 python学习总结 框架理论

Web框架本质 我们可以这样理解:所有的Web应用本质上就是一个socket服务端,而用户的浏览器就是一个socket客户端. 这样我们就可以自己实现Web框架了. 半成品自定义web框架 import socket sk = socket.socket() sk.bind(("127.0.0.1", 80)) sk.listen() while True: conn, addr = sk.accept() data = conn.recv(8096) conn.send(b"

4月4日 python学习总结

---恢复内容开始--- 1.序列化和反序列化 我们把对象(变量)从内存中变成可存储或传输的过程称之为序列化,在Python中叫pickling. 反过来,把变量内容从序列化的对象重新读到内存里称之为反序列化,即unpickling. 为什么要保持序列化?   1.持久化状态 2.跨平台数据交互 各种语言之间,实现数据相互转换 2.json.eval.pickle eval()虽然也能进行数据提取,但是,eval()只能识别python 定义的数据类型,用来做序列化不具有跨平台型 Json的使用

4月16日 python学习总结 封装之property、多态 、classmethod和staticmethod

一.封装之property @property把一个函数伪装成一个数据类型  @伪装成数据的函数名.setter   控制该数据的修改,修改该数据时触发 @伪装成数据的函数名.delect  控制该数据的删除,删除该数据时触发 class People: def __init__(self,name): self.__name=name @property #将name()函数伪装成一个数据属性name def name(self): #obj.name print('您现在访问的是用户名...

4月23日 python学习总结 套接字UDP和 操作系统理论,多道理论

一.套接字UDP udp是无链接的,先启动哪一端都不会报错 UDP(user datagram protocol,用户数据报协议)是无连接的,面向消息的,提供高效率服务.不会使用块的合并优化算法,, 由于UDP支持的是一对多的模式,所以接收端的skbuff(套接字缓冲区)采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包,在每个UDP包中就有了消息头(消息来源地址,端口等信息),这样,对于接收端来说,就容易进行区分处理了. 即面向消息的通信是有消息保护边界的.   服务器 #服务器 ss = socket

5月4日 python学习总结 socketserver

一.socketserver SocketServer简化了网络服务器的编写. 它有4个类:TCPServer,UDPServer,UnixStreamServer,UnixDatagramServer.这4个类是同步进行处理的,另外通过ForkingMixIn和ThreadingMixIn类来支持异步. 创建服务器的步骤: 1.首先, 必须创建一个请求处理类,它是BaseRequestHandler的子类并重载其handle()方法. 2.其次, 必须实例化一个服务器类,传入服务器的地址和请求

5月25日 python学习总结 HTML标签

一.HTML简介  http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/8973878.html 二.HTML标签与文档结构 http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/8982242.html 三.body内常用标签 一 HTML语义化 body中的标签是会显示到浏览器窗口中的,body内的标签只有一个作用就是用来标记语义的,语义指的是从字面意思就可以理解被标记的内容是用来做什么的 虽然不同的标签会有不同的显示样式,但