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python 并發(fā)編程非阻塞IO模型原理解析

更新時(shí)間：2019年08月20日 10:31:35 作者：minger_lcm

這篇文章主要介紹了python 并發(fā)編程非阻塞IO模型原理解析,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

非阻塞IO（non-blocking IO）

Linux下，可以通過設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)，流程是這個(gè)樣子：

從圖中可以看出，當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，那么它并不會block用戶進(jìn)程，而是立刻返回一個(gè)error。從用戶進(jìn)程角度講，它發(fā)起一個(gè)read操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是用戶就可以在本次到下次再發(fā)起read詢問的時(shí)間間隔內(nèi)做其他事情，或者直接再次發(fā)送read操作。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存（這一階段仍然是阻塞的，這段是本地拷貝，copy data ），然后返回。

也就是說非阻塞的recvform系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用之后，進(jìn)程并沒有被阻塞，內(nèi)核馬上返回給進(jìn)程，如果數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，
此時(shí)會返回一個(gè)error。進(jìn)程在返回之后，可以干點(diǎn)別的事情，然后再發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用。重復(fù)上面的過程，
循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用。這個(gè)過程通常被稱之為輪詢。輪詢檢查內(nèi)核數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，再拷貝數(shù)據(jù)到進(jìn)程，
進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。需要注意，拷貝數(shù)據(jù)整個(gè)過程，進(jìn)程仍然是屬于阻塞的狀態(tài)。
所以，在非阻塞式IO中，用戶進(jìn)程其實(shí)是需要不斷的主動詢問kernel操作系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了沒有。

非阻塞IO示例

設(shè)置socket接口為非阻塞IO接口
默認(rèn)是True 為阻塞
server.setblocking(False)
處理一下這個(gè)異常

BlockingIOError: [WinError 10035] 無法立即完成一個(gè)非阻止性套接字操作。

from socket import *
server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1',8000))
server.listen(5)
# 設(shè)置socket接口為 非阻塞IO接口
# 默認(rèn)是True 為阻塞
server.setblocking(False)
print("starting...")
while True:
  try:
    conn,addr = server.accept()
    print(addr)

  except BlockingIOError:
    print("干其他的工作")
server.close()

執(zhí)行結(jié)果，如上面的圖，一直返回error消息

starting...
干其他的工作
干其他的工作
干其他的工作
干其他的工作

服務(wù)端可以與多個(gè)客戶端建立連接，實(shí)現(xiàn)服務(wù)端可以不停的建立連接

from socket import *
server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1',8000))
server.listen(5)
# 設(shè)置socket接口為 非阻塞IO接口
# 默認(rèn)是True 為阻塞
server.setblocking(False)
r_list = []
print("starting...")
while True:
  try:
    conn,addr = server.accept()
    r_list.append(conn)
    print(r_list)
  except BlockingIOError:
    pass
server.close()

起三個(gè)客戶端與服務(wù)端建立連接

r_list 存著所有建立的連接

有連接來，就建立連接，沒有連接來，就拋出異常

實(shí)現(xiàn)IO非阻塞并發(fā) 多個(gè)連接

from socket import *
server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1',8000))
server.listen(5)
# 設(shè)置socket接口為 非阻塞IO接口
# 默認(rèn)是True 為阻塞
server.setblocking(False)
r_list = []
print("starting...")
while True:
  try:
    conn,addr = server.accept()
    r_list.append(conn)
    print(r_list)
  except BlockingIOError:
    # 定義刪除連接列表
    del_rlist = []
    for conn in r_list:
      try:
        data = conn.recv(1024)
        # 收空數(shù)據(jù)時(shí)候
        if not data:
          del_rlist.append(conn)
          continue
        conn.send(data.upper())
      # 沒有連接，拋出異常，就結(jié)束這次循環(huán)，繼續(xù)
      except BlockingIOError:
        continue
      # 套接字出現(xiàn)異常，客戶端單方面連接斷開
      except Exception:
        conn.close()
        del_rlist.append(conn)
        break
    # 結(jié)束上面循環(huán)之后，循環(huán)del_list 連接元素 刪除連接
    for conn in del_rlist:
      del_rlist.remove(conn)
server.close()

BUG：send也是IO阻塞接口

當(dāng)send在數(shù)據(jù)量過大時(shí)候，也會阻塞。

send操作是，把應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)發(fā)送到操作系統(tǒng)緩存區(qū)里，而操作系統(tǒng)緩存區(qū)空間也是有限的。緩存區(qū)也會滿了，后面還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，那只能等緩存區(qū)清掉數(shù)據(jù)，有空間了，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。所以在這里緩存區(qū)滿了，就阻塞。

修改后服務(wù)端的代碼可以自己檢測IO，遇到IO切換單個(gè)線程的其他任務(wù)，去運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)單線程并發(fā)

from socket import *
server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
server.bind(('127.0.0.1',8000))
server.listen(5)
# 設(shè)置socket接口為 非阻塞IO接口
# 默認(rèn)是True 為阻塞
server.setblocking(False)
r_list = []
w_list = []
print("starting...")
while True:
  try:
    conn,addr = server.accept()
    r_list.append(conn)
    print(r_list)
  except BlockingIOError:
    # 收消息
    # 定義刪除連接列表
    del_rlist = []
    for conn in r_list:
      try:
        data = conn.recv(1024)
        # 收空數(shù)據(jù)時(shí)候
        if not data:
          del_rlist.append(conn)
          continue
        '''加入元祖 元祖有兩個(gè)元素 
        1.存放套接字連接
        2.準(zhǔn)備要發(fā)送的的數(shù)據(jù)
        '''
        w_list.append((conn, data.upper()))
      # 沒有連接，拋出異常，就結(jié)束這次循環(huán)，繼續(xù)
      except BlockingIOError:
        continue
      # 套接字出現(xiàn)異常，客戶端單方面連接斷開
      except Exception:
        conn.close()
        del_rlist.append(conn)
        break
    # 發(fā)消息
    # 用于 發(fā)成功數(shù)據(jù)后，刪除套接字連接的列表
    del_wlist = []
        for item in w_list:
     try:
        conn = item[0]
        data = item[1]
        conn.send(data)
        # 發(fā)成功后，從列表刪除連接
        del_wlist.append(item)
      # send 有可能出現(xiàn)異常 沒發(fā)完情況
      except BlockingIOError:
        pass
    # 結(jié)束上面循環(huán)之后，循環(huán)del_wlist 連接元素 刪除連接
    for item in del_wlist:
      del_wlist.remove(item)
    # 結(jié)束上面循環(huán)之后，循環(huán)del_rlist 連接元素 刪除連接
    for conn in del_rlist:
      del_rlist.remove(conn)
server.close()

這就是非阻塞IO

但是非阻塞IO模型絕不被推薦。
我們不能否則其優(yōu)點(diǎn)：能夠在等待任務(wù)完成的時(shí)間里干其他活了（包括提交其他任務(wù)，也就是 “后臺” 可以有多個(gè)任務(wù)在“”同時(shí)“”執(zhí)行）。

干其他活時(shí)候，有可能來新的連接，新的連接來了，不能及時(shí)響應(yīng)與該新的連接，建立連接。所以會導(dǎo)致問題：數(shù)據(jù)不會及時(shí)響應(yīng)

但是也難掩其缺點(diǎn)：

1. 循環(huán)調(diào)用recv()將大幅度推高CPU占用率；這也是我們在代碼中留一句time.sleep(2)的原因,否則在低配主機(jī)下極容易出現(xiàn)卡機(jī)情況

2. 任務(wù)完成的響應(yīng)延遲增大了，因?yàn)槊窟^一段時(shí)間才去輪詢一次read操作，而任務(wù)可能在兩次輪詢之間的任意時(shí)間完成。
這會導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量的降低。

3.死循環(huán)While True會導(dǎo)致CPU的無用的耗用、占用

此外，在這個(gè)方案中recv()更多的是起到檢測“操作是否完成”的作用，實(shí)際操作系統(tǒng)提供了更為高效的檢測“操作是否完成“作用的接口，例如select()多路復(fù)用模式，可以一次檢測多個(gè)連接是否活躍

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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