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多路复用IO(IO multiplexing)

IO multiplexing这个词可能有点陌生,但是如果我说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)。我们都知道,select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有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”所有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操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同,事实上还更差一些。因为这里需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)。但是,用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

强调:

1. 如果处理的连接数不是很高的话,使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好,可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快,而是在于能处理更多的连接。

2. 在多路复用模型中,对于每一个socket,一般都设置成为non-blocking,但是,如上图所示,整个用户的process其实是一直被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的优势在于可以处理多个连接,不适用于单个连接

 

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", 9090))
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", 9090))

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:

用户进程创建socket对象,拷贝监听的fd到内核空间,每一个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;用户进程再发送系统调用,比如(accept)将内核空间的数据copy到用户空间,同时作为接受数据端内核空间的数据清除,这样重新监听时fd再有新的数据又可以响应到了(发送端因为基于TCP协议所以需要收到应答后才会清除)。

 

该模型的优点:

相比其他模型,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,同时能够为多客户端提供服务。
如果试图建立一个简单的事件驱动的服务器程序,这个模型有一定的参考价值。

 

该模型的缺点:

首先select()接口并不是实现“事件驱动”的最好选择。因为当需要探测的句柄值较大时,select()接口本身需要消耗大量时间去轮询各个句柄。
很多操作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,…。
如果需要实现更高效的服务器程序,类似epoll这样的接口更被推荐。遗憾的是不同的操作系统特供的epoll接口有很大差异,
所以使用类似于epoll的接口实现具有较好跨平台能力的服务器会比较困难。
其次,该模型将事件探测和事件响应夹杂在一起,一旦事件响应的执行体庞大,则对整个模型是灾难性的。

 

 

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