并发编程之IO模型比较和Selectors模块

2022-11-08 15:38:43

主要内容：

　　一、IO模型比较分析

　　二、selectors模块

1️⃣ IO模型比较分析

　　1、前情回顾：

　　　　上一小节中，我们已经分别介绍过了IO模型的四个模块，那么我想大多数都会和我一样好奇，

阻塞IO和非阻塞IO、多路复用IO和异步IO到底有什么区别？

　　2、　先来回答第一个区别：阻塞和非阻塞的区别，调用阻塞IO会一直阻塞指定的进程，直到操作完成；而

非阻塞IO在kernel准备数据的情况下会立刻返回。

　　3、再说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。　　

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 。
 4、比较图如下：
　　

　　由图可知：non-blocking和asynchronous IO的区别比较明显。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。

2️⃣ selectors模块

　　1、了解select，poll，epoll

    IO复用：复用也就是共用的意思。在通信领域中为了充分利用网络连接的物理介质，往往在同一条网络链路上采用时分复用或频分复用的技术使其在同一链路上传输多路信号，即复用。

    服务器编程的模型：客户端发来的请求服务端会产生一个进程来对其进行服务，每当来一个客户请求就产生一个进程来服务，然而进程不可能无限制的产生，因此为了解决大量客户端访问的问题，引入了IO复用技术，即：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。。

　　2、三个API（select、poll和epoll）的区别和联系

　　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。

　　区别：

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);

　　1.1、select的参数介绍和调用步骤

select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一个位数组，其大小限制为__FD_SETSIZE（1024），

 位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。第二三四参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组，

 这些参数既是输入参数也是输出参数，可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件，

 所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。timeout参数为超时时间，该结构会被内核修改，其值为超时剩余的时间。

# 调用步骤：
（1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fdset到内核空间

（2）注册回调函数__pollwait

（3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll

或者datagram_poll）

（4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。

（5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll 来说，

其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据

（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

（6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

（7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是 current）

进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout 指定），

还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

（8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

　　1.2、缺点：

（1）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

（2）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很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

　　2 、poll模块

poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别

用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。

 poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，

 相比处理fdset来说，poll效率更高。poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。

　　3、epoll模块

epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll 和select和

poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函 数，

epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注 册要监听的事件类型；

epoll_wait则是等待事件的产生。

　　epoll模块针对poll的三个缺点的改进

　　对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定 EPOLL_CTL_ADD），

会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝 一次。

　　对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在 epoll_ctl时把

current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调 函数，

而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd

（利用 schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，和select实现中的第7步是类似的）。

　　对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,

在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

3、实例

　　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。

　　服务端程序

#！/user/bin/env python3

# -*- coding:utf-8-*-

# write by congcong

from socket import *

import selectors

sel = selectors.DefaultSelector()

def accept(server_fileobj,mask):

    conn,addr = server_fileobj.accept()

    sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,read)

def read(conn,mask):

    try:

        data = conn.recv(1024)

        if not data:

            print('closing...',conn)

            sel.unregister(conn)

            conn.close()

            return

        conn.send(data.upper()+b'_hello')

    except Exception:

        print('closing!!!',conn)

        sel.unregister(conn)

        conn.close()

server_fileobj = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

server_fileobj.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

server_fileobj.bind(('127.0.0.1',6666))

server_fileobj.listen(5)

server_fileobj.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞

sel.register(server_fileobj,selectors.EVENT_READ,accept) #相当于往select的读列表里append了一个文件句柄，server_fileobj,并且绑定了一个回调函数accept

while True:

    events=sel.select() #检测所有的fileobj，是否有完成wait data的

    for sel_obj,mask in events:

        callback=sel_obj.data #callback=accpet

        callback(sel_obj.fileobj,mask) #accpet(server_fileobj,1)

　　客户端程序

#！/user/bin/env python3

# -*- coding:utf-8-*-

# write by congcong

from socket import *

c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

c.connect(('127.0.0.1',6666))

while True:

    msg=input('>>: ')

    if not msg:continue

    c.send(msg.encode('gbk'))

    data=c.recv(1024)

    print(data.decode('gbk'))

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