Python教程：精簡概述I/O模型與I/O操作

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一. I/O 模型

1. 特指 Linux 下的網絡 IO，一般分類:

• 阻塞IO（blocking IO）
• 非阻塞IO（non-blocking IO）
• IO多路復用（IO multiplexing）
• 信號驅動IO（signal driven IO）
• 異步IO（asynchronous IO）

2. 一個網絡 I/O 涉及兩個系統(tǒng)對象:

• 應用進程（Process/Thread）
• 系統(tǒng)內核（Kernel）

3. 一個 read 操作會經歷兩個階段:

• 等待數據就緒（Kernel Waiting for the data to be ready）
• 拷貝數據到進程（Copying the data from the kernel to the process）

4. 一個 I/O read 操作的執(zhí)行流程：

1. Process 調用 Kernel 發(fā)出請求
   1.1 Kernel 等待數據準備就緒（Waiting）
   1.2 Kernel 拷貝數據到用戶空間（Copying）
3. Kernel 通知 Process 拷貝完成
4. Process 接收數據，并進行處理

5. 對應 Python 中 TCP 通信過程：

1. server 端通過 recv() 調用 Kernel
   1.1 Kernel 等待接收 client 端 send() 數據并加入緩沖區(qū)
   1.2 Kernel 將緩沖區(qū)數據 copy 到 server 的用戶內存空間
2. Kernel copy 完畢之后通知 server
3. server 接收并處理數據

6. 主要四種 I/O 模型的對比及演化：

a. 默認情況下，所有 Socket 接口都是阻塞型IO（blocking IO）

問題：Waiting 階段、Copying 階段處于阻塞狀態(tài)，程序只能處理一個網絡連接
解決方案：開啟多線程/多進程
   效果：
       每個連接都擁有獨立的線程/進程，任一連接阻塞都不會影響其他連接
   問題：
       遇到需要同時響應大量的連接請求，多線程/多進程會嚴重占據系統(tǒng)資源
改進方案：連接池、線程池
   效果：
       連接池可減少創(chuàng)建/關閉連接的頻率，重用已有連接
       線程池可減少創(chuàng)建/銷毀線程的頻率，維持一定合理數量的線程
   問題：
       “池”始終有上限，當請求數量大大超過上限時，系統(tǒng)響應效率未必更高

b. 輪詢檢測 Kernel 數據是否就緒，實現非阻塞IO（non-blocking IO）

效果：
   程序能夠在等待數據就緒的時間里，去執(zhí)行其他工作
問題：
   不斷循環(huán)往復地調用系統(tǒng)將，大幅度推高 CPU 占用率
   人為加入延遲降低循環(huán)速度，又會導致數據吞吐量降低

c. 系統(tǒng)提供單一線程即可處理多連接的 select 接口（IO multiplexing）

效果：占用資源少，不會消耗過多 CPU，能夠同時為多客戶端提供服務
問題：對于單一客戶端的連接請求并不能處理得更快，不適用于單個連接

d. Python 通過 asyncio 模塊實現了異步IO模型（asynchronous IO）

異步IO下的執(zhí)行流程：
   1. Process 調用 Kernel 發(fā)出請求，立刻去做其他事務
   2. Kernel 先立刻返回應答給 Process
   3. Kernel 再準備數據（Waiting）
   4. Kernel 拷貝到數據到用戶空間（Copying）
   5. Kernel 完成數據拷貝，發(fā) Signal 到 Process
   6. Process 回來繼續(xù)該 IO 操作

7. 主要四種 IO 模型總結

• blocking IO：在 Waiting 階段、Copying 階段都會阻塞
• non-blocking IO：在 Waiting 階段不阻塞，但是監(jiān)聽由應用程序發(fā)起，必須不斷調用操作系統(tǒng)
• IO multiplexing：應用程序本身不阻塞，但 select 會阻塞，應用程序仍需定期查詢 select
• asynchronous IO：在 Waiting 階段、Copying 階段都不會阻塞

二. IO 操作

1. 同步I/O操作（synchronous I/O operation）

• I/O操作過程中，存在請求進程阻塞的階段
• I/O模型包括：blocking IO、non-blocking IO、IO multiplexing

2. 異步I/O操作（asynchronous I/O operation）

• 整個I/O操作完成，請求進程都不會阻塞
• IO模型包括：asynchronous IO

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