Python全栈之路系列之IO多路复用

io-multiplexing-01

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?

poll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: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: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。

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。

ET模式
ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持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。

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。)


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