IO并发 | 易学教程

IO分类

IO分类：阻塞IO，非阻塞IO,IO多路复用，异步IO等

阻塞IO

定义：在执行IO操作时如果执行条件不满足则阻塞。阻塞IO是IO的默认形态。
效率：阻塞IO是效率很低的一种IO。但是由于逻辑简单所以是默认IO行为。
阻塞情况：

因为某种执行条件没有满足造成的函数阻塞

　　　　　　　　如：accept input recv等

处理IO的时间较长产生的阻塞状态

　　　　　　　　如：网络传输，大文件读写等

非阻塞IO

定义：通过修改IO属性行为，使原本阻塞的IO变为非阻塞的状态
设置套接字为非阻塞IO

sockfd.setblocking(bool)

功能：设置套接字为非阻塞IO

参数：默认为True，表示套接字IO阻塞；设置为False则套接字IO变为非阻塞

超时检测：设置一个最长阻塞时间，超过该时间后则不再阻塞等待。

sockfd.settimeout(sec)

功能：设置套接字的超时时间

参数：设置的时间

代码示例：

 1 from socket import *
 2 from time import *
 3 
 4 # 日志文件
 5 f = open('log.txt','a+')
 6 
 7 # tcp　服务端
 8 sockfd = socket()
 9 sockfd.bind(('0.0.0.0',8888))
10 sockfd.listen(5)
11 
12 #　非阻塞设置
13 # sockfd.setblocking(False)
14 
15 # 超时时间
16 sockfd.settimeout(2)
17 
18 
19 while True:
20     print("Waiting from connect...")
21     try:
22         connfd,addr = sockfd.accept()
23     except (BlockingIOError,timeout) as e:
24         sleep(2)
25         f.write("%s : %s\n"%(ctime(),e))
26         f.flush()
27     else:
28         print("Connect from",addr)
29         data = connfd.recv(1024).decode()
30         print(data)

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IO多路复用

定义

同时监控多个IO事件，当那个IO事件准备就绪就执行哪个IO事件。以此形成可以同时处理多个IO的行为，避免一个IO阻塞造成其他IO均无法执行，提高了IO执行效率。

具体方案

select方法：Windows　　Linux　　unix

poll方法：Linux　　unix

epoll方法：Linux

select方法

rs, ws, xs=select(rlist, wlist, xlist[, timeout])
功能: 监控IO事件，阻塞等待IO发生
参数：rlist  列表  存放关注的等待发生的IO事件
      wlist  列表  存放关注的要主动处理的IO事件
      xlist  列表  存放关注的出现异常要处理的IO
      timeout  超时时间

返回值： rs 列表  rlist中准备就绪的IO
        ws 列表  wlist中准备就绪的IO
	xs 列表  xlist中准备就绪的IO

代码示例：

 1 from select import select
 2 from socket import *
 3 
 4 s = socket()
 5 s.bind(('0.0.0.0',8888))
 6 s.listen(3)
 7 
 8 f = open('log.txt','r+')
 9 
10 print("开始监控ＩＯ")
11 rs,ws,xs = select([s],[],[])
12 print(rs)
13 print(ws)
14 print(xs)

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select实现TCP服务

【1】将关注的IO放入对应的监控类别列表

【2】通过select函数进行监控

【3】遍历select返回值列表，确定就绪IO事件

【4】处理发生的IO事件

注意

wlist中如果存在IO事件，则select立即返回给ws
处理IO过程中不要出现死循环占有服务端的情况
IO多路复用消耗资源较少，效率较高

select tcp代码示例：

 1 from socket import *
 2 from select import select
 3 
 4 #　创建监听套接字
 5 s = socket()
 6 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
 7 s.bind(('0.0.0.0',8888))
 8 s.listen(5)
 9 
10 #　设置关注的ＩＯ列表
11 rlist = [s]  #　ｓ　用于等待处理连接
12 wlist = []
13 xlist = []
14 
15 #　循环ＩＯ监控
16 while True:
17     # print("++++",rlist)
18     rs,ws,xs = select(rlist,wlist,xlist)
19     # print('----',rs)
20     # 遍历返回值列表，判断哪个ＩＯ就绪
21     for r in rs:
22         if r is s:
23             c,addr = r.accept()
24             print("Connect from",addr)
25             rlist.append(c) #　增加新的关注的ＩＯ
26         else:
27             #　表明有客户端发送消息
28             data = r.recv(1024).decode()
29             print(data)
30             r.send(b'OK')
31 
32     for w in ws:
33         pass
34 
35     for x in xs:
36         pass

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poll方法

p = select.poll()
功能 ： 创建poll对象
返回值： poll对象

p.register(fd,event)   
功能: 注册关注的IO事件
参数：fd  要关注的IO
      event  要关注的IO事件类型
  	     常用类型：POLLIN  读IO事件（rlist）
		      POLLOUT 写IO事件 (wlist)
		      POLLERR 异常IO  （xlist）
		      POLLHUP 断开连接 
		  e.g. p.register(sockfd,POLLIN|POLLERR)

p.unregister(fd)
功能：取消对IO的关注
参数：IO对象或者IO对象的fileno

events = p.poll()
功能： 阻塞等待监控的IO事件发生
返回值： 返回发生的IO
        events格式  [(fileno,event),()....]
        每个元组为一个就绪IO，元组第一项是该IO的fileno，第二项为该IO就绪的事件类型

poll步骤

【1】创建套接字

【2】将套接字register

【3】创建查找字典，并维护

【4】循环监控IO发生

【5】处理发生的IO

poll代码示例：

 1 from socket import *
 2 from select import *
 3 
 4 #　创建监听套接字，作为关注的ＩＯ
 5 s = socket()
 6 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
 7 s.bind(('0.0.0.0',8888))
 8 s.listen(3)
 9 
10 # 创建ｐｏｌｌ对象
11 p = poll()
12 
13 #　建立查找字典，通过ＩＯ的fileno查找io对象
14 #　始终与ｒｅｇｉｓｔｅｒ的ＩＯ保持一直
15 fdmap = {s.fileno():s}
16 
17 #　关注　ｓ
18 p.register(s,POLLIN|POLLERR)
19 
20 #　循环监控ＩＯ发生
21 while True:
22     events = p.poll() # 阻塞等待ＩＯ发生
23     #　循环遍历查看哪个ＩＯ准备就绪
24     for fd,event in events:
25         print(events)
26         if fd == s.fileno():
27             c,addr = fdmap[fd].accept()
28             print("Connect from",addr)
29             #　关注客户端连接套接字
30             p.register(c,POLLIN|POLLHUP)
31             fdmap[c.fileno()] = c  #　维护字典
32         elif event & POLLIN:
33             data = fdmap[fd].recv(1024).decode()
34             if not data:
35                 p.unregister(fd) #　取消监控
36                 fdmap[fd].close()
37                 del fdmap[fd] #　从字典删除
38                 continue
39             print(data)
40             p.register(fdmap[fd],POLLOUT)
41         elif event & POLLOUT:
42             fdmap[fd].send(b'OK')
43             p.register(fdmap[fd], POLLIN)

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epoll方法

使用方法：

基本与poll相同
生成对象改为epoll()
将所有事件类型改为EPOLL类型

epoll特点

epoll效率比select poll要高
epoll监控IO数量方式比poll要多
epoll的触发方式比poll要多（EPOLLET边缘触发）

epoll完成tcp并发代码示例：

 1 from socket import *
 2 from select import *
 3 
 4 #　创建监听套接字，作为关注的ＩＯ
 5 s = socket()
 6 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
 7 s.bind(('0.0.0.0',8888))
 8 s.listen(3)
 9 
10 # 创建eｐｏｌｌ对象
11 ep = epoll()
12 
13 #　建立查找字典，通过ＩＯ的fileno查找io对象
14 #　始终与ｒｅｇｉｓｔｅｒ的ＩＯ保持一直
15 fdmap = {s.fileno():s}
16 
17 #　关注　ｓ
18 ep.register(s,EPOLLIN|EPOLLERR)
19 
20 #　循环监控ＩＯ发生
21 while True:
22     events = ep.poll() # 阻塞等待ＩＯ发生
23     print("你有新的ＩＯ需要处理哦")
24     #　循环遍历查看哪个ＩＯ准备就绪
25     for fd,event in events:
26         print(events)
27         if fd == s.fileno():
28             c,addr = fdmap[fd].accept()
29             print("Connect from",addr)
30             #　关注客户端连接套接字
31             ep.register(c,EPOLLIN|EPOLLET) #　设置边缘触发
32             fdmap[c.fileno()] = c  #　维护字典
33         # elif event & EPOLLIN:
34         #     data = fdmap[fd].recv(1024).decode()
35         #     if not data:
36         #         ep.unregister(fd) #　取消监控
37         #         fdmap[fd].close()
38         #         del fdmap[fd] #　从字典删除
39         #         continue
40         #     print(data)
41         #     ep.unregister(fd) # 先取消关注再重新添加
42         #     ep.register(fdmap[fd], EPOLLOUT)
43         # elif event & POLLOUT:
44         #     fdmap[fd].send(b'OK')
45         #     ep.unregister(fd)
46         #     ep.register(fdmap[fd], EPOLLIN)

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协程技术

基础概念

定义：纤程，微线程。是允许在不同入口点不同位置暂停的计算机程序，简单来说，协程就是可以暂停执行的函数。
协程原理：记录一个函数的上下文，协程调度切换时会将记录的上下文保存，在切换回来时进行调取，恢复原有的执行内容，以便从上一次执行位置继续执行
协程优缺点：

优点：

　　协程完成多任务占用计算资源很少
　　由于协程的多任务切换在应用层完成，因此切换开销少
　　协程为单线程程序，无需进行共享资源同步互斥处理

缺点：

　　协程的本质是一个单线程，无法利用计算机多核资源

扩展延申@标准库协程的实现

python3.5以后，使用标准库asyncio和async/await 语法来编写并发代码。asyncio库通过对异步IO行为的支持完成python的协程。虽然官方说asyncio是未来的开发方向，但是由于其生态不够丰富，大量的客户端不支持awaitable需要自己去封装，所以在使用上存在缺陷。更多时候只能使用已有的异步库（asyncio等），功能有限。

第三方协程模块

greenlet模块

安装：sudo pip3 install greenlet
函数

greenlet.greenlet(func)
功能：创建协程对象
参数：协程函数

g.switch()
功能：选择要执行的协程函数

协程行为代码示例：

 1 from greenlet import greenlet
 2 
 3 def fun1():
 4     print("执行 fun1")
 5     gr2.switch()
 6     print("结束 fun1")
 7     gr2.switch()
 8 
 9 def fun2():
10     print("执行 fun2")
11     gr1.switch()
12     print("结束 fun2")
13 
14 # 将函数变为协程
15 gr1 = greenlet(fun1)
16 gr2 = greenlet(fun2)
17 
18 gr1.switch() # 选择执行的协程函数

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gevent模块

安装：sudo pip3 install gevent

函数：

gevent.spawn(func,argv)
功能: 生成协程对象
参数：func  协程函数
     argv  给协程函数传参（不定参）
返回值： 协程对象

gevent.joinall(list,[timeout])
功能: 阻塞等待协程执行完毕
参数：list  协程对象列表
     timeout 超时时间

gevent.sleep(sec)
功能: gevent睡眠阻塞
参数：睡眠时间

* gevent协程只有在遇到gevent指定的阻塞行为时才会自动在协程之间进行跳转
如gevent.joinall(),gevent.sleep()带来的阻塞

gevent生成协程示例：

 1 import gevent
 2 from gevent import monkey
 3 monkey.patch_time() # 修改对time模块中阻塞的解释行为
 4 from time import sleep
 5 
 6 # 协程函数
 7 def foo(a,b):
 8     print("Running foo ...",a,b)
 9     # gevent.sleep(3)
10     sleep(3)
11     print("Foo again..")
12 
13 def bar():
14     print("Running bar ...")
15     # gevent.sleep(2)
16     sleep(2)
17     print("Bar again..")
18 
19 # 生成协程对象
20 f = gevent.spawn(foo,1,2)
21 g = gevent.spawn(bar)
22 
23 gevent.joinall([f,g]) #阻塞等待f,g代表的协程执行完毕

View Code

基于协程的TCP开发代码示例：

 1 import gevent
 2 from gevent import monkey
 3 monkey.patch_all() # 执行脚本,修改socket
 4 from socket import *
 5 
 6 def handle(c):
 7     while True:
 8         data = c.recv(1024).decode()
 9         if not data:
10             break
11         print(data)
12         c.send(b'OK')
13     c.close()
14 
15 # 创建tcp套接字
16 s = socket()
17 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
18 s.bind(('0.0.0.0',8888))
19 s.listen(5)
20 
21 # 循环接收来自客户端连接
22 while True:
23     c,addr = s.accept()
24     print("Connect from",addr)
25     # handle(c) # 处理具体客户端请求
26     gevent.spawn(handle,c) # 协程方案

View Code

monkey脚本

作用：在gevent协程中，协程只有遇到gevent指定类型的阻塞才能跳转到其他协程，因此，我们希望将普通IO阻塞行为转换为可以触发gevent协程跳转的阻塞，以提高执行效率。

转换方法：gevent提供了一个脚本程序monkey，可以修改底层解释IO阻塞的行为，将很多普通阻塞转换为gevent阻塞。

使用方法

【1】 导入monkey
		from gevent  import monkey
【2】 运行相应的脚本，例如转换socket中所有阻塞
		monkey.patch_socket()
【3】 如果将所有可转换的IO阻塞全部转换则运行all
		monkey.patch_all()
【4】 注意：脚本运行函数需要在对应模块导入前执行

基于协程的TCP开发代码示例：

 1 """
 2 思路 : 1. 每个客户函数端设置为协成
 3       2. 将socket模块下的阻塞变为可以触发协程跳转
 4 """
 5 import gevent
 6 from gevent import monkey
 7 monkey.patch_all() # 执行脚本,修改socket
 8 from socket import *
 9 
10 def handle(c):
11     while True:
12         data = c.recv(1024).decode()
13         if not data:
14             break
15         print(data)
16         c.send(b'OK')
17     c.close()
18 
19 # 创建tcp套接字
20 s = socket()
21 s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
22 s.bind(('0.0.0.0',8888))
23 s.listen(5)
24 
25 # 循环接收来自客户端连接
26 while True:
27     c,addr = s.accept()
28     print("Connect from",addr)
29     # handle(c) # 处理具体客户端请求
30     gevent.spawn(handle,c) # 协程方案

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扩展：位运算

定义：将整数转换为二进制，按二进制位进行运算

运算符号：

  &  按位与
  |  按位或
  ^  按位异或
  << 左移
  >> 右移

      14 --> 01110
      19 --> 10011

14 & 19 = 00010 = 2  一0则0
14 | 19 = 11111 = 31 一1则1
14 ^ 19 = 11101 = 29 相同为0不同为1
14 << 2 = 111000 = 56 向左移动低位补0
14 >> 2 = 11 = 3  向右移动去掉低位

来源：https://www.cnblogs.com/-xiaolong/p/11371839.html

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异步io