多路复用I/O
在简明网络I/O模型文章可以知道常用的IO
模型。其中同步模型中,使用多路复用I/O
可以提高服务器的性能。
在多路复用的模型中,比较常用的有select
模型和poll
模型。这两个都是系统接口,由操作系统提供。当然,Python
的select
模块进行了更高级的封装。select
与poll
的底层原理都差不多。下面就介绍select
。
select 原理
网络通信被Unix
系统抽象为文件的读写,通常是一个设备,由设备驱动程序提供,驱动可以知道自身的数据是否可用。支持阻塞操作的设备驱动通常会实现一组自身的等待队列,如读/写等待队列用于支持上层(用户层)所需的block
或non-block
操作。设备的文件的资源如果可用(可读或者可写)则会通知进程,反之则会让进程睡眠,等到数据到来可用的时候,再唤醒进程。
这些设备的文件描述符被放在一个数组中,然后select
调用的时候遍历这个数组,如果对于的文件描述符可读则会返回改文件描述符。当遍历结束之后,如果仍然没有一个可用设备文件描述符,select
让用户进程则会睡眠,直到等待资源可用的时候在唤醒,遍历之前那个监视的数组。每次遍历都是线性的。
select 回显服务器
select
涉及系统调用和操作系统相关的知识,因此单从字面上理解其原理还是比较乏味。用代码来演示最好不过了。使用python
的select
模块很容易写出下面一个回显服务器:
import select
import socket
import sys
HOST = 'localhost'
PORT = 5000
BUFFER_SIZE = 1024
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind((HOST, PORT))
server.listen(5)
inputs = [server, sys.stdin]
running = True
while True:
try:
# 调用 select 函数,阻塞等待
readable, writeable, exceptional = select.select(inputs, [], [])
except select.error, e:
break
# 数据抵达,循环
for sock in readable:
# 建立连接
if sock == server:
conn, addr = server.accept()
# select 监听的socket
inputs.append(conn)
elif sock == sys.stdin:
junk = sys.stdin.readlines()
running = False
else:
try:
# 读取客户端连接发送的数据
data = sock.recv(BUFFER_SIZE)
if data:
sock.send(data)
if data.endswith('\r\n\r\n'):
# 移除select监听的socket
inputs.remove(sock)
sock.close()
else:
# 移除select监听的socket
inputs.remove(sock)
sock.close()
except socket.error, e:
inputs.remove(sock)
server.close()
运行上述代码,使用curl
访问http://localhost:5000
,即可看命令行返回请求的HTTP request
信息。
下面详细解析上述代码的原理。
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind((HOST, PORT))
server.listen(5)
上述代码使用socket
初始化一个TCP
套接字,并绑定主机地址和端口,然后设置服务器监听。
inputs = [server, sys.stdin]
这里定义了一个需要select
监听的列表,列表里面是需要监听的对象(等于系统监听的文件描述符)。这里监听socket
套接字和用户的输入。
然后代码进行一个服务器无线循环。
try:
# 调用 select 函数,阻塞等待
readable, writeable, exceptional = select.select(inputs, [], [])
except select.error, e:
break
调用了select
函数,开始循环遍历监听传入的列表inputs
。如果没有curl
服务器,此时没有建立tcp
客户端连接,因此改列表内的对象都是数据资源不可用。因此select
阻塞不返回。
客户端输入curl http://localhost:5000
之后,一个套接字通信开始,此时input
中的第一个对象server
由不可用变成可用。因此select
函数调用返回,此时的readable
有一个套接字对象(文件描述符可读)。
for sock in readable:
# 建立连接
if sock == server:
conn, addr = server.accept()
# select 监听的socket
inputs.append(conn)
select
返回之后,接下来遍历可读的文件对象,此时的可读中只有一个套接字连接,调用套接字的accept()
方法建立TCP
三次握手的连接,然后把该连接对象追加到inputs
监视列表中,表示我们要监视该连接是否有数据IO
操作。
由于此时readable
只有一个可用的对象,因此遍历结束。再回到主循环,再次调用select
,此时调用的时候,不仅会遍历监视是否有新的连接需要建立,还是监视刚才追加的连接。如果curl
的数据到了,select
再返回到readable
,此时在进行for
循环。如果没有新的套接字,将会执行下面的代码:
try:
# 读取客户端连接发送的数据
data = sock.recv(BUFFER_SIZE)
if data:
sock.send(data)
if data.endswith('\r\n\r\n'):
# 移除select监听的socket
inputs.remove(sock)
sock.close()
else:
# 移除select监听的socket
inputs.remove(sock)
sock.close()
except socket.error, e:
inputs.remove(sock)
通过套接字连接调用recv
函数,获取客户端发送的数据,当数据传输完毕,再把监视的inputs
列表中除去该连接。然后关闭连接。
整个网络交互过程就是如此,当然这里如果用户在命令行中输入中断,inputs
列表中监视的sys.stdin
也会让select
返回,最后也会执行下面的代码:
elif sock == sys.stdin:
junk = sys.stdin.readlines()
running = False
有人可能有疑问,在程序处理sock
连接的是时候,假设又输入了curl
对服务器请求,将会怎么办?此时毫无疑问,inputs
里面的server
套接字会变成可用。等现在的for
循环处理完毕,此时select
调用就会返回server
。如果inputs
里面还有上一个过程的conn
连接,那么也会循环遍历inputs
的时候,再一次针对新的套接字accept
到inputs
列表进行监视,然后继续循环处理之前的conn
连接。如此有条不紊的进行,直到for
循环结束,进入主循环调用select
。
任何时候,inputs
监听的对象有数据,下一次调用select
的时候,就会繁返回readable
,只要返回,就会对readable
进行for
循环,直到for
循环结束在进行下一次select
。
主要注意,套接字建立连接是一次IO
,连接的数据抵达也是一次IO
。
select的不足
尽管select
用起来挺爽,跨平台的特性。但是select
还是存在一些问题。
select
需要遍历监视的文件描述符,并且这个描述符的数组还有最大的限制。随着文件描述符数量的增长,用户态和内核的地址空间的复制所引发的开销也会线性增长。即使监视的文件描述符长时间不活跃了,select
还是会线性扫描。
为了解决这些问题,操作系统又提供了poll
方案,但是poll
的模型和select
大致相当,只是改变了一些限制。目前Linux
最先进的方式是epoll
模型。
许多高性能的软件如nginx
, nodejs
都是基于epoll
进行的异步。
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