浅谈Python基础之IO模型

概述一、I/O模型IO在计算机中指Input/Output，也就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留，由CPU这个超快的计算核心来执行，涉及到数据交换的地方，通常是磁盘、网络等，就需要IO接口。

一、I/O模型

IO在计算机中指input/Output，也就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留，由cpu这个超快的计算核心来执行，涉及到数据交换的地方，通常是磁盘、网络等，就需要IO接口。

同步（synchronous） IO和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分别是什么，到底有什么区别？

这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同，比如wiki，就认为asynchronous IO和non-blocking IO是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同，并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以，为了更好的回答这个问题，先限定一下本文的上下文。
本文讨论的背景是linux环境下的network IO。

Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：

blocking IO（阻塞IO）

nonblocking IO （非阻塞IO）

IO multiplexing （IO多路复用）

asynchronous IO （异步IO）

signal driven IO （信号驱动IO）

由于signal driven IO在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种IO Model。

再说一下IO发生时涉及的对象和步骤。

对于一个network IO (这里我们以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read *** 作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
将数据从内核拷贝到进程中 (copying the data from the kernel to the process)
记住这两点很重要，因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

二、 blocking IO

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读 *** 作流程大概是这样：

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

三、non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读 *** 作时，流程是这个样子：

从图中可以看出，当用户进程发出read *** 作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read *** 作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read *** 作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

注意：

在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，”非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞,所以进程不断地有机会 ‘被' cpu光顾”。即每次recvform系统调用之间，cpu的权限还在进程手中，这段时间是可以做其他事情的，也就是说非阻塞的recvform系统调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

import timeimport socketsk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.soCK_STREAM)sk.bind(('127.0.0.1',8080))sk.Listen(5)sk.setblocking(False)  #设置套接字为非阻塞模式while True:  try:    print('waiting clIEnt connection .......')    connection,address = sk.accept() # 进程主动轮询    print("+++",address)    clIEnt_messge = connection.recv(1024)    print(str(clIEnt_messge,'utf8'))    connection.close()  except Exception as e:    print(e)    time.sleep(4)#############################clIEntimport timeimport socketsk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.soCK_STREAM)while True:  sk.connect(('127.0.0.1',8080))  print("hello")  sk.sendall(bytes("hello","utf8"))  time.sleep(2)  break

以上实例，服务段端每隔4秒轮询一次，若没有任何客户端链接，则会抛出错误信息，并继续轮询。

非阻塞IO：

优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。

缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read *** 作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成，导致不能实时获取数据，这也会导致整体数据吞吐量的降低。

四、IO multiplexing

IO multiplexing这个词可能有点陌生，有些地方也称这种IO方式为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 *** 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system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，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）

在IO multiplexing Model中，实际中，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。

注意：

1.select函数返回结果中如果有文件可读了，那么进程就可以通过调用accept()或recv()来让kernel将位于内核中准备到的数据copy到用户区。

2.select的优势在于可以处理多个连接，不适用于单个连接

import select,socketsock = socket.socket()sock.bind(('127.0.0.1',8080))sock.Listen(5)sock.setblocking(False)Listen_obj = [sock,]while True:  r,w,e = select.select(Listen_obj,[],[])  for obj in r:    if obj == sock:      conn,addr = obj.accept()      print('conn',conn)      print('addr',addr)      Listen_obj.append(conn)    else:      data = obj.recv(1024)      print(data.decode('utf8'))      send_data = input('>>>')      obj.send(send_data.encode('utf8'))#############################clIEntimport socketsock = socket.socket()sock.connect(('127.0.0.1',8080))while True:  data = input('>>>')  sock.send(data.encode('utf8'))  recv_data = sock.recv(1024)  print(recv_data.decode('utf8'))sock.close()

以上实例，服务端kernel监听select负责的Listen_obj中的所有socket对象。当任何一个socket对象激活，根据其类型判断是否建立通信。

五、asynchronous I/O

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

用户进程发起read *** 作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它收到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read *** 作完成了。

很明显，使用异步IO来编写程序性能会远远高于同步IO，但是异步IO的缺点是编程模型复杂。

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO *** 作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO *** 作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

各个IO Model的比较如图所示：

经过上面的介绍，会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO *** 作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO *** 作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

以上这篇浅谈Python基础之I/O模型就是小编分享给大家的全部内容了，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持编程小技巧。

总结

以上是内存溢出为你收集整理的浅谈Python基础之I/O模型全部内容，希望文章能够帮你解决浅谈Python基础之I/O模型所遇到的程序开发问题。

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