网络编程之IO模型——多路复用IO

网络编程之IO模型——多路复用IO

多路复用IO（IO multiplexing）

IO multiplexing这个词可能有点陌生，可是若是我说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)。咱们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就能够同时处理多个网络链接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的全部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”全部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操做，将数据从kernel拷贝到用户进程。  
这个图和blocking IO的图其实并无太大的不一样，事实上还更差一些。由于这里须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\(recvfrom\)。可是，用select的优点在于它能够同时处理多个connection。

强调：

一、若是处理的链接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不必定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优点并非对于单个链接能处理得更快，而是在于能处理更多的链接。

二、在多路复用模型中，对于每个socket，通常都设置成为non-blocking，可是，如上图所示，整个用户的process实际上是一直被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的优点在于能够处理多个链接，不适用于单个链接

select网络IO模型示例

#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)
#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监听fd变化的过程分析：

一、用户进程建立socket对象，拷贝监听的fd到内核空间，每个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；
二、用户进程再发送系统调用，好比（accept）将内核空间的数据copy到用户空间，同时做为接受数据端内核空间的数据清除，
这样从新监听时fd再有新的数据又能够响应到了（发送端由于基于TCP协议因此须要收到应答后才会清除）。

该模型的优势：

一、相比其余模型，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，同时可以为多客户端提供服务。
二、若是试图创建一个简单的事件驱动的服务器程序，这个模型有必定的参考价值。

该模型的缺点：

一、首先select()接口并非实现“事件驱动”的最好选择。由于当须要探测的句柄值较大时，select()接口自己须要消耗大量时间去轮询各个句柄。
二、不少操做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，…。
若是须要实现更高效的服务器程序，相似epoll这样的接口更被推荐。遗憾的是不一样的操做系统特供的epoll接口有很大差别，
因此使用相似于epoll的接口实现具备较好跨平台能力的服务器会比较困难。
三、该模型将事件探测和事件响应夹杂在一块儿，一旦事件响应的执行体庞大，则对整个模型是灾难性的。