走入電腦的第三十九天（python終結篇之IO模型）

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一、IO模型

　　1、IO模型分類

　　　　1.阻塞IO--------blocking IO

　　　　2.非阻塞IO------nonblocking IO

　　　　3. 多工IO------- multiplexing

　　　　4.訊號驅動IO-------signal driven IO （工作中不會使用到，只是作為瞭解）

　　　　5.非同步IO------- asynchronous IO

　　2、通常情況下IO預設操作分為兩個階段（預設都是阻塞IO）

　　　　1.準備等待資料階段，相當於請求作業系統是否有資料發送過來（調用IO操作）。

　　　　2.將資料從核心緩衝拷貝到進程緩衝中。

二、不同的IO操作

　　1、阻塞IO（blocking io）

　　　　1.在Linux系統中預設情況下所有的socket都是阻塞IO,

　　　　　　

　　　　2.阻塞IO工作原理（）：

　　　　　　當使用者進程調用了recvfrom這個系統調用（相當於使用者進程發送請求像作業系統要資料），kernel就開始了IO的第一個階段：準備　　　　資料。對於network io來說，很多時候資料在一開始還沒有到達，這個時候kernel就要等待足夠的資料到來。而在使用者進程這邊，整個　　　　進程會被阻塞。當kernel一直等到資料準備好了，它就會將資料從kernel中拷貝到使用者記憶體，然後kernel返回結果，使用者進程才解除　　　　　　block的狀態，重新運行起來。所以，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了。

　　2、非阻塞IO

　　　　1.在Linux作業系統可以通過設定socket使其變為non-blocking。當對一個non-blocking socket執行讀操作時，流程是這個樣子

　　　　　　　　

　　　　2.非阻塞IO工作原理：

　　　　　　可以看出，當使用者進程發出read操作時，如果kernel中的資料還沒有準備好，那麼它並不會block使用者進程，而是立刻返回一　　個error。從使用者進程角度講 ，它發起一個read操作後，並不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。使用者進程判斷結果是一個error時，它　　就知道資料還沒有準備好，於是它可以再次發送read操作。一旦kernel中的資料準備好了，並且又再次收到了使用者進程的system call，那麼　　它馬上就將資料拷貝到了使用者記憶體，然後返回。所以，使用者進程其實是需要不斷的主動詢問kernel資料好了沒有。如果資料還沒準備好，此　　時會返回一個error。進程在接收到error後，可以幹點別的事情，然後再發起recvform系統調用。重複上面的過程，迴圈往複的進行recvform　　系統調用。這個過程通常被稱之為輪詢。輪詢檢查核心資料，直到資料準備好，再拷貝資料到進程，進行資料處理。需要注意，拷貝資料整　　個過程，進程仍然是屬於阻塞的狀態。

　　　　3.代碼原理：

　　　　　　

　　　　3、IO多工

　　　　　　1、以上情況只能應用於一個server處理一個客戶sock，如果想讓一個server處理多個客戶sock那就要用到IO多工

　　　　　　2、多工流程圖：

　　　　　　　　

　　　　　　　　當使用者進程調用了select，那麼整個進程會被block，而同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的　　　　　　資料準備好了，select就會返回。這個時候使用者進程再調用read操作，將資料從kernel拷貝到使用者進程。這個圖和blocking IO的圖　　　　　　其實並沒有太大的不同，事實上，還更差一些。因為這裡需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一　　　　　　個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在於它可以同時處理多個connection，在IO multiplexing Model中，實際中，對於　　　　　　每一個socket，一般都設定成為non-blocking，但是，如所示，整個使用者的process其實是一直被block的。只不過process是被　　　　　　select這個函數block，而不是被socket IO給block。

　　　　　　3.代碼實現原理：

　　　　　　　　

　　　　　　4、利用selectors來實現IO的多工

　　　　　　　　

　　　　　　5、注釋：在windows下只支援python中的select阻塞,而在linux下是三者都支援。我們通過selectors模組python可以自動判斷

　　　　　　使用什麼阻塞方式。

　　　　

 

　　　　　6、各個IO模型比較圖：

　　　　　　　　

 

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