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

一. I/O 模型

1. 特指 Linux 下的網路 IO，一般分類:

• 阻塞IO（blocking IO）
• 非阻塞IO（non-blocking IO）
• IO多路複用（IO multiplexing）
• 訊號驅動IO（signal driven IO）
• 非同步IO（asynchronous IO）

2. 一個網路 I/O 涉及兩個系統物件:

• 應用程式（Process/Thread）
• 系統核心（Kernel）

3. 一個 read 操作會經歷兩個階段:

• 等待資料就緒（Kernel Waiting for the data to be ready）
• 複製資料到程式（Copying the data from the kernel to the process）

4. 一個 I/O read 操作的執行流程：

1. Process 呼叫 Kernel 發出請求

    1.1 Kernel 等待資料準備就緒（Waiting）

    1.2 Kernel 複製資料到使用者空間（Copying）

3. Kernel 通知 Process 複製完成

4. Process 接收資料，並進行處理

5. 對應 Python 中 TCP 通訊過程：

1. server 端透過 recv() 呼叫 Kernel

    1.1 Kernel 等待接收 client 端 send() 資料並加入緩衝區

    1.2 Kernel 將緩衝區資料 copy 到 server 的使用者記憶體空間

2. Kernel copy 完畢之後通知 server

3. server 接收並處理資料

6. 主要四種 I/O 模型的對比及演化：

a. 預設情況下，所有 Socket 介面都是阻塞型IO（blocking IO）

問題：Waiting 階段、Copying 階段處於阻塞狀態，程式只能處理一個網路連線

解決方案：開啟多執行緒/多程式

    效果：

        每個連線都擁有獨立的執行緒/程式，任一連線阻塞都不會影響其他連線

    問題：

        遇到需要同時響應大量的連線請求，多執行緒/多程式會嚴重佔據系統資源

改進方案：連線池、執行緒池

    效果：

        連線池可減少建立/關閉連線的頻率，重用已有連線

        執行緒池可減少建立/銷燬執行緒的頻率，維持一定合理數量的執行緒

    問題：

        “池”始終有上限，當請求數量大大超過上限時，系統響應效率未必更高

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

效果：

    程式能夠在等待資料就緒的時間裡，去執行其他工作

問題：

    不斷迴圈往復地呼叫系統將，大幅度推高 CPU 佔用率

    人為加入延遲降低迴圈速度，又會導致資料吞吐量降低

c. 系統提供單一執行緒即可處理多連線的 select 介面（IO multiplexing）

效果：佔用資源少，不會消耗過多 CPU，能夠同時為多客戶端提供服務

問題：對於單一客戶端的連線請求並不能處理得更快，不適用於單個連線

d. Python 透過 asyncio 模組實現了非同步IO模型（asynchronous IO）

非同步IO下的執行流程：

    1. Process 呼叫 Kernel 發出請求，立刻去做其他事務

    2. Kernel 先立刻返回應答給 Process

    3. Kernel 再準備資料（Waiting）

    4. Kernel 複製到資料到使用者空間（Copying）

    5. Kernel 完成資料複製，發 Signal 到 Process

    6. Process 回來繼續該 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，但是監聽由應用程式發起，必須不斷呼叫作業系統
• IO multiplexing：應用程式本身不阻塞，但 select 會阻塞，應用程式仍需定期查詢 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，存在請求程式阻塞的階段
• I/O模型包括：blocking IO、non-blocking IO、IO multiplexing

2. 非同步I/O操作（asynchronous I/O operation）

• 整個I/O操作完成，請求程式都不會阻塞
• IO模型包括：asynchronous IO

更多的Python學習教程下期繼續更新！

這裡有整理影片教程，剛好在學習的夥伴，可以回覆：Python教程，領取！

Python 900集全套影片教程（全家桶） 提取: