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Python教程:精簡概述I/O模型與I/O操作

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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