Python基础(35)之selectors模块

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理解 IO 复用

为了解释这个名词,首先来理解下复用这个概念,复用也就是共用的意思,这样理解还是有些抽象,为此,咱们来理解下复用在通信领域的使用,在通信领域中为了充分利用网络连接的物理介质,往往在同一条网络链路上采用时分复用或频分复用的技术使其在同一链路上传输多路信号,到这里我们就基本上理解了复用的含义,即公用某个“介质”来尽可能多的做同一类(性质)的事,那 IO 复用的“介质”是什么呢?为此我们首先来看看服务器编程的模型,客户端发来的请求服务端会产生一个进程来对其进行服务,每当来一个客户请求就产生一个进程来服务,然而进程不可能无限制的产生,因此为了解决大量客户端访问的问题,引入了 IO 复用技术,即:一个进程可以同时对多个客户请求进行服务。也就是说 IO 复用的“介质”是进程(准确的说复用的是 select 和poll,因为进程也是靠调用 select 和 poll 来实现的),复用一个进程(select 和 poll)来对多个 IO 进行服务,虽然客户端发来的 IO 是并发的但是 IO 所需的读写数据多数情况下是没有准备好的,因此就可以利用一个函数(select 和 poll)来监听 IO 所需的这些数据的状态,一旦 IO 有数据可以进行读写了,进程就来对这样的 IO 进行服务。

select、poll 和 epoll

select,poll,epoll 都是 IO 多路复用的机制,I/O 多路复用就是通过一种机制,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),能够通知应用程序进行相应的读写操作。但 select,poll,epoll 本质上都是同步 I/O,因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写,也就是说这个读写过程是阻塞的,而异步 I/O 则无需自己负责进行读写,异步 I/O 的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。三者的原型如下所示:

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

select

select 的第一个参数 nfds 为 fdset 集合中最大描述符值加 1,fdset 是一个位数组,其大小限制为 __FD_SETSIZE(1024),位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。第二三四参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组,这些参数既是输入参数也是输出参数,可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件,所以每次调用select前都需要重新初始化 fdset。timeout 参数为超时时间,该结构会被内核修改,其值为超时剩余的时间。

select 的调用步骤如下:

  1. 使用 copy_from_user 从用户空间拷贝 fdset 到内核空间。
  2. 注册回调函数 __pollwait。
  3. 遍历所有 fd,调用其对应的 poll 方法(对于 socket,这个 poll 方法是 sock_poll,sock_poll 根据情况会调用到 tcp_poll、udp_poll 或者datagram_poll)。
  4. 以 tcp_poll 为例,其核心实现就是 __pollwait,也就是上面注册的回调函数。
  5. __pollwait 的主要工作就是把 current(当前进程)挂到设备的等待队列中,不同的设备有不同的等待队列,对于 tcp_poll 来说,其等待队列是 sk->sk_sleep(注意把进程挂到等待队  列中并不代表进程已经睡眠了)。在设备收到一条消息(网络设备)或填写完文件数 据(磁盘设备)后,会唤醒设备等待队列上睡眠的进程,这时 current 便被唤醒了。
  6. poll 方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的 mask 掩码,根据这个 mask 掩码给 fd_set 赋值。
  7. 如果遍历完所有的 fd,还没有返回一个可读写的 mask 掩码,则会调用 schedule_timeout 是调用 select 的进程(也就是 current)进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后,会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间(schedule_timeout 指定),还是没人唤醒,则调用 select 的进程会重新被唤醒获得 CPU,进而重新遍历 fd,判断有没有就绪的 fd。
  8. 把 fd_set 从内核空间拷贝到用户空间。

总结下 select 的几大缺点:

  1. 每次调用 select,都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在 fd 很多时会很大
  2. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd,这个开销在 fd 很多时也很大
  3. select 支持的文件描述符数量太小了,默认是 1024。

poll

poll 与 select 不同,通过一个 pollfd 数组向内核传递需要关注的事件,故没有描述符个数的限制,pollfd 中的 events 字段和 revents 分别用于标示关注的事件和发生的事件,故 pollfd 数组只需要被初始化一次。

poll 的实现机制与 select 类似,其对应内核中的 sys_poll,只不过 poll 向内核传递 pollfd 数组,然后对 pollfd 中的每个描述符进行 poll,相比处理 fdset 来说,poll 效率更高。poll 返回后,需要对 pollfd 中的每个元素检查其 revents 值,来得指事件是否发生。

epoll

直到 Linux2.6 才出现了由内核直接支持的实现方法,那就是 epoll,被公认为 Linux2.6 下性能最好的多路 I/O 就绪通知方法。epoll 可以同时支持水平触发和边缘触发(Edge Triggered,只告诉进程哪些文件描述符刚刚变为就绪状态,它只说一遍,如果我们没有采取行动,那么它将不会再次告知,这种方式称为边缘触发),理论上边缘触发的性能要更高一些,但是代码实现相当复杂。epoll同样只告知那些就绪的文件描述符,而且当我们调用 epoll_wait() 获得就绪文件描述符时,返回的不是实际的描述符,而是一个代表就绪描述符数量的值,你只需要去 epoll 指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可,这里也使用了内存映射(mmap)技术,这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。另一个本质的改进在于 epoll 采用基于事件的就绪通知方式。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。

epoll 既然是对 select 和 poll 的改进,就应该能避免上述的三个缺点。那 epoll 都是怎么解决的呢?在此之前,我们先看一下 epoll 和 select 和 poll 的调用接口上的不同,select 和 poll 都只提供了一个函数—— select 或者 poll 函数。而 epoll 提供了三个函数,epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait,epoll_create 是创建一个 epoll 句柄;epoll_ctl 是注 册要监听的事件类型;epoll_wait 则是等待事件的产生。

对于第一个缺点,epoll 的解决方案在 epoll_ctl 函数中。每次注册新的事件到 epoll 句柄中时(在 epoll_ctl 中指定 EPOLL_CTL_ADD),会把所有的 fd 拷贝进内核,而不是在 epoll_wait 的时候重复拷贝。epoll 保证了每个 fd 在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点,epoll 的解决方案不像 select 或 poll 一样每次都把 current 轮流加入 fd 对应的设备等待队列中,而只在 epoll_ctl 时把 current 挂一遍(这一遍必不可少)并为每个fd指定一个回调函数,当设备就绪,唤醒等待队列上的等待者时,就会调用这个回调 函数,而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表)。epoll_wait 的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的 fd(利用 schedule_timeout() 实现睡一会,判断一会的效果,和 select 实现中的第 7 步是类似的)。

对于第三个缺点,epoll 没有这个限制,它所支持的 FD 上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048,举个例子, 在 1GB 内存的机器上大约是 10 万左右,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结

select,poll 实现需要自己不断轮询所有 fd 集合,直到设备就绪,期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而 epoll 其实也需要调用 epoll_wait 不断轮询就绪链表,期间也可能多次睡眠和唤醒交替,但是它是设备就绪时,调用回调函数,把就绪 fd 放入就绪链表中,并唤醒在 epoll_wait 中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替,但是 select 和 poll 在“醒着”的时候要遍历整个 fd 集合,而 epoll 在“醒着”的 时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了,这节省了大量的 CPU 时间,这就是回调机制带来的性能提升。

select,poll 每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次,并且要把 current 往设备等待队列中挂一次,而 epoll 只要 一次拷贝,而且把 current 往等待队列上挂也只挂一次(在 epoll_wait 的开始,注意这里的等待队列并不是设备等待队列,只是一个 epoll 内 部定义的等待队列),这也能节省不少的开销。

selector 使用

上述 IO 多路复用模型在不同的平台有着不同的支持,而 epoll 在 windows 下就不支持,好在我们有 selectors 模块,帮我们默认选择当前平台下最合适的。

基于 selectors 模块实现 socket 通信

# server 端
from socket import *
import selectors

sel = selectors.DefaultSelector()

def accept(server_fileobj, mask):
    conn, addr = server_fileobj.accept()
    sel.register(conn, selectors.EVENT_READ, read)

def read(conn, mask):
    try:
        data = conn.recv(1024)
        if not data:
            print('closing', conn)
            sel.unregister(conn)
            conn.close()
            return
        conn.send(data.upper() + b'_SB')
    except Exception:
        print('closing', conn)
        sel.unregister(conn)
        conn.close()

server_fileobj = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
server_fileobj.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
server_fileobj.bind(('127.0.0.1', 8088))
server_fileobj.listen(5)
server_fileobj.setblocking(False)  # 设置socket的接口为非阻塞
sel.register(server_fileobj, selectors.EVENT_READ,
             accept)  # 相当于网select的读列表里append了一个文件句柄server_fileobj,并且绑定了一个回调函数accept

while True:
    events = sel.select()  # 检测所有的fileobj,是否有完成wait data的
    for sel_obj, mask in events:
        callback = sel_obj.data  # callback=accpet
        callback(sel_obj.fileobj, mask)  # accpet(server_fileobj,1)
# client 端
from socket import *

c = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
c.connect(('127.0.0.1', 8088))

while True:
    msg = input('>>: ')
    if not msg: continue
    c.send(msg.encode('utf-8'))
    data = c.recv(1024)
    print(data.decode('utf-8'))

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