IO多路复用深入浅出

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Java程序员进阶三条必经之路：数据库、虚拟机、异步通信。

前言

从零单排高性能问题，这次轮到异步通信了。这个领域入门有点难，需要了解UNIX五种IO模型和TCP协议，熟练使用三大异步通信框架：Netty、NodeJS、Tornado。目前所有标榜异步的通信框架用的都不是异步IO模型，而是IO多路复用中的epoll。因为Python提供了对Linux内核API的友好封装，所以我选择Python来学习IO多路复用。

IO多路复用

1. select

   举一个EchoServer的例子，客户端发送任何内容，服务端会原模原样返回。

   #!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- '''
   Created on Feb 16, 2016
   
   @author: mountain
   ''' import socket import select from Queue import Queue #AF_INET指定使用IPv4协议，如果要用更先进的IPv6，就指定为AF_INET6。 #SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议，如果要使用面向数据包的UCP协议，就指定SOCK_DGRAM。 server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
   server.setblocking(False) #设置监听的ip和port server_address = ('localhost', 1234)
   server.bind(server_address) #设置backlog为5，client向server发起connect，server accept后建立长连接， #backlog指定排队等待server accept的连接数量，超过这个数量，server将拒绝连接。 server.listen(5) #注册在socket上的读事件 inputs = [server] #注册在socket上的写事件 outputs = [] #注册在socket上的异常事件 exceptions = [] #每个socket有一个发送消息的队列 msg_queues = {} print "server is listening on %s:%s." % server_address while inputs: #第四个参数是timeout，可选，表示n秒内没有任何事件通知，就执行下面代码 readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, exceptions) for sock in readable: #client向server发起connect也是读事件，server accept后产生socket加入读队列中 if sock is server:
               conn, addr = sock.accept()
               conn.setblocking(False)
               inputs.append(conn)
               msg_queues[conn] = Queue() print "server accepts a conn." else: #读取client发过来的数据，最多读取1k byte。 data = sock.recv(1024) #将收到的数据返回给client if data:
                   msg_queues[sock].put(data) if sock not in outputs: #下次select的时候会触发写事件通知，写和读事件不太一样，前者是可写就会触发事件，并不一定要真的去写 outputs.append(sock) else: #client传过来的消息为空，说明已断开连接 print "server closes a conn." if sock in outputs:
                       outputs.remove(sock)
                   inputs.remove(sock)
                   sock.close() del msg_queues[sock] for sock in writable: if not msg_queues[sock].empty():
               sock.send(msg_queues[sock].get_nowait()) if msg_queues[sock].empty():
               outputs.remove(sock) for sock in exceptional:
           inputs.remove(sock) if sock in outputs:
               outputs.remove(sock)
           sock.close() del msg_queues[sock]

   [mountain@king ~/workspace/wire]$ telnet localhost 1234
   Trying 127.0.0.1...
   Connected to localhost.
   Escape character is '^]'. 1 1

   select有3个缺点：

   1. 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大。
   2. 每次调用select后，都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大。
      这点从python的例子里看不出来，因为python select api更加友好，直接返回就绪的socket列表。事实上linux内核select api返回的是就绪socket数目：

      int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

   3. fd数量有限，默认1024。

2. poll

   采用poll重新实现EchoServer，只要搞懂了select，poll也不难，只是api的参数不太一样而已。

   #!/usr/bin/env python
   # -*- coding: utf-8 -*-
   '''
   Created on Feb 27, 2016
   
   @author: mountain
   '''
   import select import socket import sys import Queue server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) server.setblocking(False)
   server_address = ('localhost', 1234) server.bind(server_address) server.listen(5)
   print 'server is listening on %s port %s' % server_address
   msg_queues = {} timeout = 1000 * 60 #POLLIN: There is data to read #POLLPRI: There is urgent data to read #POLLOUT: Ready for output #POLLERR: Error condition of some sort #POLLHUP: Hung up
   #POLLNVAL: Invalid request: descriptor not open READ_ONLY = select.POLLIN | select.POLLPRI | select.POLLHUP | select.POLLERR
   READ_WRITE = READ_ONLY | select.POLLOUT
   poller = select.poll()
   #注册需要监听的事件
   poller.register(server, READ_ONLY)
   #文件描述符和socket映射
   fd_to_socket = { server.fileno(): server} while True: events = poller.poll(timeout) for fd, flag in events:
           sock = fd_to_socket[fd] if flag & (select.POLLIN | select.POLLPRI): if sock is server: conn, client_address = sock.accept() conn.setblocking(False)
                   fd_to_socket[conn.fileno()] = conn poller.register(conn, READ_ONLY)
                   msg_queues[conn] = Queue.Queue() else: data = sock.recv(1024) if data:
                       msg_queues[sock].put(data)
                       poller.modify(sock, READ_WRITE) else:
                       poller.unregister(sock)
                       sock.close()
                       del msg_queues[sock]
           elif flag & select.POLLHUP:
               poller.unregister(sock)
               sock.close()
               del msg_queues[sock]
           elif flag & select.POLLOUT: if not msg_queues[sock].empty():
                   msg = msg_queues[sock].get_nowait()
                   sock.send(msg) else:
                   poller.modify(sock, READ_ONLY)
           elif flag & select.POLLERR:
               poller.unregister(sock)
               sock.close()
               del msg_queues[sock]

   poll解决了select的第三个缺点，fd数量不受限制，但是失去了select的跨平台特性，它的linux内核api是这样的：

   int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout); struct pollfd { int fd; /* file descriptor */ short events; /* requested events to watch */ short revents; /* returned events witnessed */ };

3. epoll

   用法与poll几乎一样。

   #!/usr/bin/env python
   # -*- coding: utf-8 -*-
   '''
   Created on Feb 28, 2016
   
   @author: mountain
   '''
   import select import socket import Queue server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) server.setblocking(False)
   server_address = ('localhost', 1234) server.bind(server_address) server.listen(5)
   print 'server is listening on %s port %s' % server_address
   msg_queues = {} timeout = 60 READ_ONLY = select.EPOLLIN | select.EPOLLPRI
   READ_WRITE = READ_ONLY | select.EPOLLOUT
   epoll = select.epoll()
   #注册需要监听的事件
   epoll.register(server, READ_ONLY)
   #文件描述符和socket映射
   fd_to_socket = { server.fileno(): server} while True: events = epoll.poll(timeout) for fd, flag in events:
           sock = fd_to_socket[fd] if flag & READ_ONLY: if sock is server: conn, client_address = sock.accept() conn.setblocking(False)
                   fd_to_socket[conn.fileno()] = conn epoll.register(conn, READ_ONLY)
                   msg_queues[conn] = Queue.Queue() else: data = sock.recv(1024) if data:
                       msg_queues[sock].put(data)
                       epoll.modify(sock, READ_WRITE) else:
                       epoll.unregister(sock)
                       sock.close()
                       del msg_queues[sock]
           elif flag & select.EPOLLHUP:
               epoll.unregister(sock)
               sock.close()
               del msg_queues[sock]
           elif flag & select.EPOLLOUT: if not msg_queues[sock].empty():
                   msg = msg_queues[sock].get_nowait()
                   sock.send(msg) else:
                   epoll.modify(sock, READ_ONLY)
           elif flag & select.EPOLLERR:
               epoll.unregister(sock)
               sock.close()
               del msg_queues[sock]

   epoll解决了select的三个缺点，是目前最好的IO多路复用解决方案。为了更好地理解epoll，我们来看一下linux内核api的用法。

   int epoll_create(int size)//创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)//注册事件，每个fd只拷贝一次。 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)/*等待IO事件，事件发生时，
   内核调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒epoll_wait，epoll_wait只需要遍历就绪链表即可，
   而select和poll都是遍历所有fd，这效率高下立判。*/

文／MountainKing（简书作者）
原文链接：http://www.jianshu.com/p/1020c11f016c