IO模型 - Hexo

IO模型简介

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我们这里研究的IO模型都是针对网络IO的
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
    * signal driven IO     信号驱动IO
    * asynchronous IO    异步IO
    由signal driven IO（信号驱动IO）在实际中并不常用，所以主要介绍其余四种IO Model。
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#1）等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
#2）将数据从内核拷贝到进程中(Copying the data from the kernel to the process)

同步异步
阻塞非阻塞
常见的网络阻塞状态:
  	accept
    recv
    recvfrom
    
    send虽然它也有io行为 但是不在我们的考虑范围

阻塞IO模型

最广泛的模型是阻塞I/O模型，默认情况下，所有套接口都是阻塞的。进程调用recvfrom系统调用，整个过程是阻塞的，直到数据复制到进程缓冲区时才返回（当然，系统调用被中断也会返回）。

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我们之前写的都是阻塞IO模型  协程除外
"""
import socket


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)


while True:
    conn, addr = server.accept()
    while True:
        try:
            data = conn.recv(1024)
            if len(data) == 0:break
            print(data)
            conn.send(data.upper())
        except ConnectionResetError as e:
            break
    conn.close()
    
# 在服务端开设多进程或者多线程 进程池线程池 其实还是没有解决IO问题	
该等的地方还是得等 没有规避
只不过多个人等待的彼此互不干扰

非阻塞IO

当我们把一个套接口设置为非阻塞时，就是在告诉内核，当请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。当数据没有准备好时，内核立即返回EWOULDBLOCK错误，第四次调用系统调用时，数据已经存在，这时将数据复制到进程缓冲区中。这其中有一个操作时轮询（polling）。

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要自己实现一个非阻塞IO模型
"""
import socket
import time


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1', 8081))
server.listen(5)
server.setblocking(False)
# 将所有的网络阻塞变为非阻塞
r_list = []
del_list = []
while True:
    try:
        conn, addr = server.accept()
        r_list.append(conn)
    except BlockingIOError:
        # time.sleep(0.1)
        # print('列表的长度:',len(r_list))
        # print('做其他事')
        for conn in r_list:
            try:
                data = conn.recv(1024)  # 没有消息 报错
                if len(data) == 0:  # 客户端断开链接
                    conn.close()  # 关闭conn
                    # 将无用的conn从r_list删除
                    del_list.append(conn)
                    continue
                conn.send(data.upper())
            except BlockingIOError:
                continue
            except ConnectionResetError:
                conn.close()
                del_list.append(conn)
        # 挥手无用的链接
        for conn in del_list:
            r_list.remove(conn)
        del_list.clear()

# 客户端
import socket


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


while True:
    client.send(b'hello world')
    data = client.recv(1024)
    print(data)

总结

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虽然非阻塞IO给你的感觉非常的牛逼
但是该模型会	长时间占用着CPU并且不干活 让CPU不停的空转
我们实际应用中也不会考虑使用非阻塞IO模型

任何的技术点都有它存在的意义 
实际应用或者是思想借鉴
"""

IO多路复用

此模型用到select和poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，select先阻塞，有活动套接字才返回，但是和阻塞I/O不同的是，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写（就是监听多个socket）。select被调用后，进程会被阻塞，内核监视所有select负责的socket，当有任何一个socket的数据准备好了，select就会返回套接字可读，我们就可以调用recvfrom处理数据。
正因为阻塞I/O只能阻塞一个I/O操作，而I/O复用模型能够阻塞多个I/O操作，所以才叫做多路复用。

"""
当监管的对象只有一个的时候 其实IO多路复用连阻塞IO都比比不上！！！
但是IO多路复用可以一次性监管很多个对象

server = socket.socket()
conn,addr = server.accept()

监管机制是操作系统本身就有的 如果你想要用该监管机制(select)
需要你导入对应的select模块
"""
import socket
import select


server = socket.socket()
server.bind(('127.0.0.1',8080))
server.listen(5)
server.setblocking(False)
read_list = [server]


while True:
    r_list, w_list, x_list = select.select(read_list, [], [])
    """
    帮你监管
    一旦有人来了 立刻给你返回对应的监管对象
    """
    # print(res)  # ([<socket.socket fd=3, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080)>], [], [])
    # print(server)
    # print(r_list)
    for i in r_list:  #
        """针对不同的对象做不同的处理"""
        if i is server:
            conn, addr = i.accept()
            # 也应该添加到监管的队列中
            read_list.append(conn)
        else:
            res = i.recv(1024)
            if len(res) == 0:
                i.close()
                # 将无效的监管对象 移除
                read_list.remove(i)
                continue
            print(res)
            i.send(b'heiheiheiheihei')

 # 客户端
import socket


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


while True:

    client.send(b'hello world')
    data = client.recv(1024)
    print(data)

总结

"""
监管机制其实有很多
select机制  windows linux都有

poll机制    只在linux有   poll和select都可以监管多个对象 但是poll监管的数量更多

上述select和poll机制其实都不是很完美 当监管的对象特别多的时候
可能会出现 极其大的延时响应

epoll机制   只在linux有
	它给每一个监管对象都绑定一个回调机制
	一旦有响应 回调机制立刻发起提醒

针对不同的操作系统还需要考虑不同检测机制 书写代码太多繁琐
有一个人能够根据你跑的平台的不同自动帮你选择对应的监管机制
selectors模块
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信号驱动I/O模型

　　首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后既可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它来读取数据报。无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达(第一阶段)期间，进程可以继续执行，不被阻塞。免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理。

异步IO

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。

　　这个模型工作机制是：告诉内核启动某个操作，并让内核在整个操作(包括第二阶段，即将数据从内核拷贝到进程缓冲区中)完成后通知我们。

这种模型和前一种模型区别在于：信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知我们I/O操作何时完成。

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异步IO模型是所有模型中效率最高的 也是使用最广泛的
相关的模块和框架
	模块:asyncio模块
	异步框架:sanic tronado twisted
		速度快！！！
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import threading
import asyncio


@asyncio.coroutine
def hello():
    print('hello world %s'%threading.current_thread())
    yield from asyncio.sleep(1)  # 换成真正的IO操作
    print('hello world %s' % threading.current_thread())


loop = asyncio.get_event_loop()
tasks = [hello(),hello()]
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
loop.close()

高性能IO模型浅析

服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四种：

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统的IO模型。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。

（4）异步IO（Asynchronous IO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

python

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