Python socket编程之IO模型介绍(多路复用*)
1.I/O基础知识
1.1 什么是文件描述符?
在网络中,一个socket对象就是1个文件描述符,在文件中,1个文件句柄(即file对象)就是1个文件描述符。其实可以理解为就是一个“指针”或“句柄”,指向1个socket或file对象,当file或socket发生改变时,这个对象对应的文件描述符,也会发生相应改变。
1.2 什么是I/O
1、先了解什么是I/O?
I/O(input/output),即输入/输出。操作系统会对IO设备进行编址,IO设备用操作系统分配的地址来处理自己的输入输出信息。
2、常用的I/O模型
阻塞IO:blocking IO、非阻塞IO:non-blocking IO、同步IO:synchronous IO、异步IO:asynchronous IO
3、IO发生时涉及的对象和步骤。对于一个network IO (这里我们以read举例),它会涉及到两个系统对象,一个是调用这个IO的process(or thread),另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生 时,它会经历两个阶段:
(1)等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)----内核等待数据可读
(2)将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)----将内核读到的数据拷贝到进程
记住这两点很重要,因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。
1.3 I/O操作包括哪些?
- 网络操作,即建立socket对象,进行建立连接,发送、接收、处理请求、响应等
- 文件操作,即建立file对象,进行文件的读、写操作
- 终端操作。即进行交互式输入输出等操作
注意:对于windows只支持Socket操作;其他系统支持以上三种I/O操作,但是无法检测普通文件操作,即自动读取普通文件,监测文件是否发现变化。
2.网络IO模型介绍
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:

如图1所示,用户线程通过系统调用read发起IO读操作,由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后,然后将接收的数据拷贝到用户空间,完成read操作。
用户线程使用同步阻塞IO模型的伪代码描述为:
{
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
即用户需要等待read将socket中的数据读取到buffer后,才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中,用户线程是被阻塞的,这导致用户在发起IO请求时,不能做任何事情,对CPU的资源利用率不够。

如图2所示,由于socket是非阻塞的方式,因此用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据,用户线程需要不断地发起IO请求,直到数据到达后,才真正读取到数据,继续执行。
用户线程使用同步非阻塞IO模型的伪代码描述为:
{
while(read(socket, buffer) != SUCCESS)
;
process(buffer);
}

如图3所示,用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中,然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时,socket被激活,select函数返回。用户线程正式发起read请求,读取数据并继续执行。
从流程上来看,使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视socket,以及调用select函数的额外操作,效率更差。但是,使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket,然后不断地调用select读取被激活的socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。
用户线程使用select函数的伪代码描述为:
{
select(socket);
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
}
}
其中while循环前将socket添加到select监视中,然后在while内一直调用select获取被激活的socket,一旦socket可读,便调用read函数将socket中的数据读取出来。
然而,使用select函数的优点并不仅限于此。虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求,但是每个IO请求的过程还是阻塞的(在select函数上阻塞),平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求,然后去做自己的事情,等到数据到来时再进行处理,则可以提高CPU的利用率。
IO多路复用模型使用了Reactor设计模式实现了这一机制。


如图5所示,通过Reactor的方式,可以将用户线程轮询IO操作状态的工作统一交给handle_events事件循环进行处理。用户线程注册事件处理器之后可以继续执行做其他的工作(异步),而Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时,则通知相应的用户线程(或执行用户线程的回调函数),执行handle_event进行数据读取、处理的工作。由于select函数是阻塞的,因此多路IO复用模型也被称为异步阻塞IO模型。注意,这里的所说的阻塞是指select函数执行时线程被阻塞,而不是指socket。一般在使用IO多路复用模型时,socket都是设置为NONBLOCK的,不过这并不会产生影响,因为用户发起IO请求时,数据已经到达了,用户线程一定不会被阻塞。
用户线程使用IO多路复用模型的伪代码描述为:
void UserEventHandler::handle_event() {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
{
Reactor.register(new UserEventHandler(socket));
}
用户需要重写EventHandler的handle_event函数进行读取数据、处理数据的工作,用户线程只需要将自己的EventHandler注册到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循环的伪代码大致如下。
Reactor::handle_events() {
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
get_event_handler(socket).handle_event();
}
}
}
事件循环不断地调用select获取被激活的socket,然后根据获取socket对应的EventHandler,执行器handle_event函数即可。
IO多路复用是最常使用的IO模型,但是其异步程度还不够“彻底”,因为它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO,而非真正的异步IO。
“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中,事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程,由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中,当用户线程收到通知时,数据已经被内核读取完毕,并放在了用户线程指定的缓冲区内,内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。
异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。
如图6,Proactor模式和Reactor模式在结构上比较相似,不过在用户(Client)使用方式上差别较大。Reactor模式中,用户线程通过向Reactor对象注册感兴趣的事件监听,然后事件触发时调用事件处理函数。而Proactor模式中,用户线程将AsynchronousOperation(读/写等)、Proactor以及操作完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步操作API(读/写等)供用户使用,当用户线程调用异步API后,便继续执行自己的任务。AsynchronousOperationProcessor 会开启独立的内核线程执行异步操作,实现真正的异步。当异步IO操作完成时,AsynchronousOperationProcessor将用户线程与AsynchronousOperation一起注册的Proactor和CompletionHandler取出,然后将CompletionHandler与IO操作的结果数据一起转发给Proactor,Proactor负责回调每一个异步操作的事件完成处理函数handle_event。虽然Proactor模式中每个异步操作都可以绑定一个Proactor对象,但是一般在操作系统中,Proactor被实现为Singleton模式,以便于集中化分发操作完成事件。
如图7所示,异步IO模型中,用户线程直接使用内核提供的异步IO API发起read请求,且发起后立即返回,继续执行用户线程代码。不过此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核,然后操作系统开启独立的内核线程去处理IO操作。当read请求的数据到达时,由内核负责读取socket中的数据,并写入用户指定的缓冲区中。最后内核将read的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部Proactor,Proactor将IO完成的信息通知给用户线程(一般通过调用用户线程注册的完成事件处理函数),完成异步IO。
用户线程使用异步IO模型的伪代码描述为:
void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {
process(buffer);
}
{
aio_read(socket, new UserCompletionHandler);
}
用户需要重写CompletionHandler的handle_event函数进行处理数据的工作,参数buffer表示Proactor已经准备好的数据,用户线程直接调用内核提供的异步IO API,并将重写的CompletionHandler注册即可。
相比于IO多路复用模型,异步IO并不十分常用,不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。况且目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善,更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式(IO事件触发时不直接通知用户线程,而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中)。Java7之后已经支持了异步IO,感兴趣的读者可以尝试使用。
本文从基本概念、工作流程和代码示例三个层次简要描述了常见的四种高性能IO模型的结构和原理,理清了同步、异步、阻塞、非阻塞这些容易混淆的概念。通过对高性能IO模型的理解,可以在服务端程序的开发中选择更符合实际业务特点的IO模型,提高服务质量。希望本文对你有所帮助。
参考资料:
http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378
http://www.cnblogs.com/fanzhidongyzby/p/4098546.html
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