同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

2022-09-24 08:10:55

同步（synchronous）：一个进程在执行某个任务时，另外一个进程必须等待其执行完毕，才能继续执行

#所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回。按照这个定义，

其实绝大多数函数都是同步调用。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，

特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。

异步（asynchronous）：

#异步的概念和同步相对。当一个异步功能调用发出后，调用者不能立刻得到结果。

当该异步功能完成后，通过状态、通知或回调来通知调用者。如果异步功能用状态来通知，

那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一 种很严重的错误）。

如果是使用通知的方式，效率则很高，因为异步功能几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

阻塞（blocking）：

#阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（如遇到io操作）。函数只有在得到结果之后才会

将阻塞的线程激活。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，

很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。

#举例：

#1. 同步调用：apply一个累计1亿次的任务，该调用会一直等待，直到任务返回结果为止，

但并未阻塞住（即便是被抢走cpu的执行权限，那也是处于就绪态）;

#2. 阻塞调用：当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用recv函数，

则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

非阻塞（non-blocking）：

 #非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前也会立刻返回，同时该函数不会阻塞当前线程。
小结：

#1. 同步与异步针对的是函数/任务的调用方式：同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直等到函数（任务）完成，而进程继续处于激活状态。

##而异步情况下是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行当，函数返回的时候通过状态、通知、事件等方式通知进程任务完成。

#2. 阻塞与非阻塞针对的是进程或线程：阻塞是当请求不能满足的时候就将进程挂起，而非阻塞则不会阻塞当前进程

经典故事案例：

  • 人物：老张
  • 道具：普通水壶（水烧开不响）；响水壶（水烧开发出响声）
  • 案例：

1、同步阻塞：

老张在厨房用普通水壶烧水，一直在厨房等着（阻塞），盯到水烧开（同步）；

2、异步阻塞：

老张在厨房用响水壶烧水，一直在厨房中等着（阻塞），直到水壶发出响声（异步），老张知道水烧开了；

3、同步非阻塞：

老张在厨房用普通水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），然后时不时去厨房看看水烧开了没（轮询检查同步结果）

4、异步非阻塞：

老张在厨房用响水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），当水壶发出响声（异步），老张就知道水烧开了。

IO模型

这里统一使用Linux下的系统调用recv作为例子，它用于从套接字上接受一个消息，因为是一个系统调用，所以调用时会从用户进程空间切换到内核空间运行一

段时间再切换回来。默认情况下recv会等到网络数据到达并且复制到用户进程空间或者发生错误时返回。

IO分两阶段：

1.数据准备阶段

2.内核空间复制回用户进程缓冲区阶段
  • 阻塞IO模型

同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

recvfrom 一直等数据直到拷贝到用户空间，这段时间内进程始终阻塞。

from socket import *

server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

server.bind(('127.0.0.1',8080))

server.listen(5)

print('start runnig...')

while True:

    conn,addr = server.accept()  #IO操作 在这accept的时候不能干recv的活

    print(addr)

    while True:

        try:

            data = conn.recv(1024)  #IO操作

            conn.send(data.upper())

        except Exception:

            break

    conn.close()

server.close()

# 我们以前写的这个就是阻塞的IO模型：一旦阻塞了就在那卡着

# 直到等到数据已经到了操作系统，操作系统再从内核拷贝给应用程序

# 阻塞IO在那两个阶段全都阻塞住了

服务端

from socket import *

client  = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

client.connect(('127.0.0.1',8080))

while True:

    cmd = input('>>:').strip()

    if not cmd:continue

    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    data = client.recv(1024)

    print('接受的是：%s'%data.decode('utf-8'))

client.close()

客户端

一个简单的解决方案：

#在服务器端使用多线程（或多进程）。多线程（或多进程）的目的是让每个连接都拥有独立的线程（或进程），

这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。

该方案的问题是：

#开启多进程或都线程的方式，在遇到要同时响应成百上千路的连接请求，

则无论多线程还是多进程都会严重占据系统资源，降低系统对外界响应效率，

而且线程与进程本身也更容易进入假死状态。

改进方案：    

很多程序员可能会考虑使用“线程池”或“连接池”。

“线程池”旨在减少创建和销毁线程的频率，其维持一定合理数量的线程，并让空闲的线程重新承担新的执行任务

。“连接池”维持连接的缓存池，尽量重用已有的连接、减少创建和关闭连接的频率。这两种技术都可以很好

的降低系统开销，都被广泛应用很多大型系统，如websphere、tomcat和各种数据库等。

  改进后方案其实也存在着问题：

#“线程池”和“连接池”技术也只是在一定程度上缓解了频繁调用IO接口带来的资源占用。而且，

所谓“池”始终有其上限，当请求大大超过上限时，“池”构成的系统对外界的响应并不比没有池的时候效果

好多少。所以使用“池”必须考虑其面临的响应规模，并根据响应规模调整“池”的大小。

对应上例中的所面临的可能同时出现的上千甚至上万次的客户端请求，“线程池”或“连接池”或许可以缓解部分压力，但是不能解决所有问题。总之，多线程模型可以方便高效的解决小规模的服务请求，但面对大规模的服务请求，多线程模型也会遇到瓶颈，可以用非阻塞接口来尝试解决这个问题。

一个简单的解决方案：

  • 非阻塞IO模型

同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

recv不管有没有取到数据都返回，如果没有数据那么一段时间后在调用recv看看，如此循环。    只有在它检查无数据的时候是非阻塞的，在数据到达的时候一眼要等待(复制数据到用户空间)。

所以，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。

server.setblocking()#默认是True

server.setblocking(False) #False的话就成非阻塞了，这只是对于socket套接字来说的 

所以，在非阻塞式IO中，用户进程其实是需要不断的主动询问内核数据准备好了没有。

wait data 等数据的这个阶段是不阻塞的

copy data 这个阶段还是要阻塞的
#这种程序虽说解决了单线程并发，但是大大的占用了cpu

from socket import *

import time

severt = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

severt.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

severt.bind(('127.0.0.1',8080))

severt.listen(5)

severt.setblocking(False) #默认是True  (如果是False,套接字里的一些阻塞操作都变成非阻塞的)

print('startting....')

conn_l = []

del_l =[]

while True:

    try:

        print(conn_l)

        conn,addr = severt.accept() #收不到数据的时候才出异常

        print(conn)

        conn_l.append(conn)

    except BlockingIOError:  #吧收不到数据的那段时间利用起来（利用他收不到

        #数据的时候，才干下面的for循环）

       for conn in conn_l:

            try:

                data = conn.recv(1024)

                conn.send(data.upper())

            except BlockingIOError:

                pass

            except ConnectionResetError:  #端开链接的错误（如果突然断开链接，会报错

                                           #就先添加到列表里面去，完了吧链接给清除了）

                 del_l.append(conn)

       for obj in del_l:

             obj.close()

             conn_l.remove(obj)

       del_l.clear()

服务端

from socket import *

client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

client.connect(('127.0.0.1',8080))

while True:

    cmd = input('>>:').strip()

    if not cmd:continue

    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    data = client.recv(1024)

    print(data.decode('utf-8'))

客户端

  • IO多路复用模型

同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

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

s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

s.bind(('127.0.0.1',8081))

s.listen(5)

s.setblocking(False) #设置socket的接口为非阻塞

read_l=[s,]

while True:

    r_l,w_l,x_l=select.select(read_l,[],[])

    print(r_l)

    for ready_obj in r_l:

        if ready_obj == s:

            conn,addr=ready_obj.accept() #此时的ready_obj等于s

            read_l.append(conn)

        else:

            try:

                data=ready_obj.recv(1024) #此时的ready_obj等于conn

                if not data:

                    read_l.remove(ready_obj)

                    continue

                ready_obj.send(data.upper())

            except ConnectionResetError:

                read_l.remove(ready_obj)

#客户端

from socket import *

c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

c.connect(('127.0.0.1',8081))

while True:

    msg=input('>>: ')

    if not msg:continue

    c.send(msg.encode('utf-8'))

    data=c.recv(1024)

    print(data.decode('utf-8'))

select IO模型

select IO 模块

# select模块用select方法检测那个套接字准备好了，也就是收没收到数据（而我们的

# 非阻塞IO你不知道那个套接字准备好了，那么用select模块就能解决

# 这个问题）

# select还可以检测多个套接字

# 所以select比非阻塞IO的效率高

from socket import *

import select

server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)

server.bind(('127.0.0.1',8081))

server.setblocking(False) #设置socket的套接字为非阻塞的

server.listen(5)

print('start running....')

read_l = [server,]  #因为不只就那么一个列表要检测。所以不要在参数里面定死了

while True:

    r_l,w_l,x_l = select.select(read_l,[],[])  #select()方法有四个参数

    print(r_l)  #一开始服务端运行的时候，就等着，当你客户端一链接的时候，他就

                # 检测到有数据了(检测那个数据准备好了)

    for obj in r_l:

        if obj == server:

            conn,addr = obj.accept()  #accept要经历两个阶段，但是程序如果走到这一步，那肯定是数据准备好了

                         #当数据已经准备好的时候，accept就只经历一个copy数据的阶段了

            # print(addr)

            read_l.append(conn)  #在监听一下conn套接字（这时候已经监听了两个了：分别是accept,conn）

        else:

            data = obj.recv(1024)  # 此时的obj=conn

            obj.send(data.upper())

#         obj.close()

# server.close()

服务端（多路复用IO）

from socket import *

import select

client = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

client.connect(('127.0.0.1',8081))

while True:

    cmd = input('>>:')

    client.send(cmd.encode('utf-8'))

    data = client.recv(1024)

    print('接收的是：%s'%data.decode('utf-8'))

client.close()

客户端（多路复用IO）

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）。

select模块的优点

#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。

select模块的缺点

#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，

如linux提供了epoll，BSD提供了kqueue，Solaris提供了/dev/poll，…。

如果需要实现更高效的服务器程序，类似epoll这样的接口更被推荐。

遗憾的是不同的操作系统特供的epoll接口有很大差异，所以使用类似于epoll的接口实现

具有较好跨平台能力的服务器会比较困难。

#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。
  • 信号驱动IO模型

同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

通过调用sigaction注册信号函数，等内核数据准备好的时候系统中断当前程序，执行信号函数(在这里面调用recv)。是不是很像异步IO？很遗憾，它还是同步IO。

  • 异步IO模型

同步IO,异步IO,阻塞IO,非阻塞IO

调用aio_read，让内核等数据准备好，并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。这才是真正的异步IO。

一般来讲：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型(select/poll/epoll)、信号驱动IO模型都属于同步IO，因为阶段2是阻塞的(尽管时间很短)。只有异步IO模型是符合POSIX异步IO操作含义的，不管在阶段1还是阶段2都可以干别的事。

IO多路复用模型    poll,epoll,selecotrs

#服务端

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'_SB')

    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',8088))

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) #相当于网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

from socket import *

c=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

c.connect(('127.0.0.1',8088))

while True:

    msg=input('>>: ')

    if not msg:continue

    c.send(msg.encode('utf-8'))

    data=c.recv(1024)

    print(data.decode('utf-8'))

selectors模块

总结

IO多路复用（select）

select检测的是哪个套接字准备好了（检测的时候等待了，变成阻塞了）

select之所以比阻塞IO好，就是因为select可以检测多个套接字

多个链接下select才能发挥它的优势

但是你的套接字特别多，你怎么知道哪个好了呢，那么就得用循环去遍历一下

那么如果特别多的时候，效率也就不咋高了

eppol:只支持linux系统（就是为了解决select效率低的问题）

eppol比pool，select效率高

selectors  更好用，解决了上面select，eppol，pool的问题

socketserver用这个模块IO问题也解决了，实现并发也解决了

更多内容访问：http://www.cnblogs.com/haiyan123/p/7465486.html

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