分析python并发网络通信模型(客户端阻塞)

一、常见模型分类

1.1、循环服务器模型

循环接收客户端请求,处理请求。同一时刻只能处理一个请求,处理完毕后再处理下一个。

优点:实现简单,占用资源少
缺点:无法同时处理多个客户端请求
适用情况:处理的任务可以很快完成,客户端无需长期占用服务端程序。udp比tcp更适合循环。

1.2、IO并发模型

利用IO多路复用,异步IO等技术,同时处理多个客户端IO请求。

优点 : 资源消耗少,能同时高效处理多个IO行为
缺点 : 只能处理并发产生的IO事件,无法处理cpu计算
适用情况:HTTP请求,网络传输等都是IO行为。

1.3、多进程/线程网络并发模型

每当一个客户端连接服务器,就创建一个新的进程/线程为该客户端服务,客户端退出时再销毁该进程/线程。

优点:能同时满足多个客户端长期占有服务端需求,可以处理各种请求。
缺点: 资源消耗较大
适用情况:客户端同时连接量较少,需要处理行为较复杂情况。

二、基于fork的多进程网络并发模型

1.创建监听套接字

2.等待接收客户端请求

3.客户端连接创建新的进程处理客户端请求

4.原进程继续等待其他客户端连接

5.如果客户端退出,则销毁对应的进程

from socket import *
import os
import signal
# 创建监听套接字
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8888
ADDR = (HOST,PORT)
# 客户端服务函数
def handle(c):
  while True:
 data = c.recv(1024)
 if not data:
break
 print(data.decode())
 c.send(b'OK')
  c.close()
s = socket()  # tcp套接字
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)# 设置套接字端口重用
s.bind(ADDR)
s.listen(3)
signal.signal(signal.SIGCHLD,signal.SIG_IGN) # 处理僵尸进程
print("Listen the port %d..." % PORT)
# 循环等待客户端连接
while True:
  try:
 c,addr = s.accept()
  except KeyboardInterrupt:
 os._exit(0)
  except Exception as e:
 print(e)
 continue
  # 创建子进程处理这个客户端
  pid = os.fork()
  if pid == 0:  # 处理客户端请求
 s.close()
 handle(c)
 os._exit(0)  # handle处理完客户端请求子进程也退出
  # 无论出错或者父进程都要循环回去接受请求
  # c对于父进程没用
  c.close()

三、基于threading的多线程网络并发

1.创建监听套接字

2.循环接收客户端连接请求

3.当有新的客户端连接创建线程处理客户端请求

4.主线程继续等待其他客户端连接

5.当客户端退出,则对应分支线程退出

from socket import *
from threading import Thread
import sys
# 创建监听套接字
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8888
ADDR = (HOST,PORT)
# 处理客户端请求
def handle(c):
  while True:
 data = c.recv(1024)
 if not data:
break
 print(data.decode())
 c.send(b'OK')
  c.close()
s = socket()  # tcp套接字
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(ADDR)
s.listen(3)
print("Listen the port %d..."%PORT)
# 循环等待客户端连接
while True:
  try:
 c,addr = s.accept()
  except KeyboardInterrupt:
 sys.exit("服务器退出")
  except Exception as e:
 print(e)
 continue
  # 创建线程处理客户端请求
  t = Thread(target=handle, args=(c,))
  t.setDaemon(True)# 父进程结束则所有进程终止
  t.start()

四、ftp 文件服务器

4.1、项目功能

客户端有简单的页面命令提示:功能包含：

查看服务器文件库中的文件列表（普通文件）
可以下载其中的某个文件到本地
可以上传客户端文件到服务器文件库

服务器需求：

允许多个客户端同时操作
每个客户端可能回连续发送命令

技术分析：

tcp套接字更适合文件传输
并发方案 ---》 fork 多进程并发
对文件的读写操作获取
文件列表 ----》 os.listdir()

粘包的处理

4.2、整体结构设计

服务器功能封装在类中（上传，下载，查看列表）
创建套接字，流程函数调用 main（）
客户端负责发起请求，接受回复，展示
服务端负责接受请求，逻辑处理

ftp server：

from socket import *
from threading import Thread
import os
import time
#　全局变量
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8080
ADDR = (HOST,PORT)
FTP = "/home/tarena/FTP/"  #　文件库位置
# 创建文件服务器服务端功能类
class FTPServer(Thread):
  def __init__(self,connfd):
 self.connfd = connfd
 super().__init__()
  def do_list(self):
 #　获取文件列表
 files = os.listdir(FTP)
 if not files:
self.connfd.send("文件库为空".encode())
return
 else:
self.connfd.send(b'OK')
time.sleep(0.1)  #　防止和后面发送内容粘包
 #　拼接文件列表
 files_ = ""
 for file in files:
if file[0] != '.' and \
  os.path.isfile(FTP+file):
  files_ += file + '\n'
 self.connfd.send(files_.encode())
  def do_get(self,filename):
 try:
fd = open(FTP+filename,'rb')
 except Exception:
self.connfd.send("文件不存在".encode())
return
 else:
self.connfd.send(b'OK')
time.sleep(0.1)
 #　文件发送
 while True:
data = fd.read(1024)
if not data:
  time.sleep(0.1)
  self.connfd.send(b'##')
  break
self.connfd.send(data)
  #　循环接收客户端请求
  def run(self):
 while True:
data = self.connfd.recv(1024).decode()
if not data or data == 'Q':
  return 
elif data == 'L':
  self.do_list()
elif data[0] == 'G':# G filename
  filename = data.split(' ')[-1]
  self.do_get(filename)
# 网络搭建
def main():
  # 创建套接字
  sockfd = socket()
  sockfd.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
  sockfd.bind(ADDR)
  sockfd.listen(3)
  print("Listen the port %d..."%PORT)
  while True:
 try:
connfd,addr = sockfd.accept()
print("Connect from",addr)
 except KeyboardInterrupt:
print("服务器程序退出")
return
 except Exception as e:
print(e)
continue
 #　创建新的线程处理客户端
 client = FTPServer(connfd)
 client.setDaemon(True)
 client.start()#　运行ｒｕｎ方法

if __name__ == "__main__":
  main()

ftp client：

from socket import *
import sys
ADDR = ('127.0.0.1',8080) # 服务器地址
#　客户端功能处理类
class FTPClient:
  def __init__(self,sockfd):
 self.sockfd = sockfd
  def do_list(self):
 self.sockfd.send(b'L')  #　发送请求
 # 等待回复
 data = self.sockfd.recv(128).decode()
 if data == 'OK':
#　一次接收文件列表字符串
data = self.sockfd.recv(4096)
print(data.decode())
 else:
print(data)
  def do_get(self,filename):
 #　发送请求
 self.sockfd.send(('G '+filename).encode())
 # 等待回复
 data = self.sockfd.recv(128).decode()
 if data == 'OK':
fd = open(filename,'wb')
#　接收文件
while True:
  data = self.sockfd.recv(1024)
  if data == b'##':
 break
  fd.write(data)
fd.close()
 else:
print(data)
  def do_quit(self):
 self.sockfd.send(b'Q')
 self.sockfd.close()
 sys.exit("谢谢使用")
#　创建客户端网络
def main():
  sockfd = socket()
  try:
 sockfd.connect(ADDR)
  except Exception as e:
 print(e)
 return
  ftp = FTPClient(sockfd) #　实例化对象
  #　循环发送请求
  while True:
 print("\n=========命令选项==========")
 print("****list****")
 print("**** get file ****")
 print("**** put file ****")
 print("****quit****")
 print("=============================")
 cmd = input("输入命令：")
 if cmd.strip() == 'list':
ftp.do_list()
 elif cmd[:3] == 'get':
#　get filename
filename = cmd.strip().split(' ')[-1]
ftp.do_get(filename)
 elif cmd[:3] == 'put':
#　put ../filename
filename = cmd.strip().split(' ')[-1]
ftp.do_put(filename)
 elif cmd.strip() == 'quit':
ftp.do_quit()
 else:
print("请输入正确命令")

if __name__ == "__main__":
  main()

五、IO并发

定义：在内存中数据交换的操作被定义为IO操作，IO------输入输出

内存和磁盘进行数据交换：文件的读写数据库更新

内存和终端数据交换：input print sys.stdin sys.stdout sys.stderr

内存和网络数据的交换：网络连接 recv send recvfrom

IO密集型程序：程序执行中有大量的IO操作，而较少的cpu运算操作。消耗cpu较少，IO运行时间长

CPU(计算)密集型程序：程序中存在大量的cpu运算，IO操作相对较少，消耗cpu大。

5.1、IO分类

IO分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、事件驱动IO、异步IO

阻塞IO

定义: 在执行IO操作时如果执行条件不满足则阻塞。阻塞IO是IO的默认形态。
效率: 阻塞IO是效率很低的一种IO。但是由于逻辑简单所以是默认IO行为。

阻塞情况:

因为某种执行条件没有满足造成的函数阻塞　　e.g. accept input recv
处理IO的时间较长产生的阻塞状态　　e.g. 网络传输, 大文件读写

非阻塞IO

定义 : 通过修改IO属性行为, 使原本阻塞的IO变为非阻塞的状态。

设置套接字为非阻塞IO

sockfd.setblocking(bool)
功能: 设置套接字为非阻塞IO
参数: 默认为True,表示套接字IO阻塞;设置为False则套接字IO变为非阻塞

超时检测 :设置一个最长阻塞时间,超过该时间后则不再阻塞等待。

sockfd.settimeout(sec)
功能:设置套接字的超时时间
参数:设置的时间

5.2、IO多路复用

定义：通过一个监测，可以同时监控多个IO事件的行为。当哪个IO事件可以执行，即让这个IO事件发生。

rs, ws, xs = select(rlist, wlist, xlist[, timeout])　　监控IO事件，阻塞等待监控的IO时间发生

参数：

rlist列表，存放（被动）等待处理的IO （接收）
wlist列表，存放主动处理的IO（发送）
xlist列表，存放出错，希望去处理的IO（异常）
timeout 超时检测

返回值:

rs列表rlist中准备就绪的IO
ws列表wlist中准备就绪的IO
xs列表xlist中准备就绪的IO

select 实现tcp服务

1.将关注的IO放入对应的监控类别列表

2.通过select函数进行监控

3.遍历select返回值列表,确定就绪IO事件

4.处理发生的IO事件

from socket import *
from select import select
#　创建一个监听套接字作为关注的ＩＯ
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)
#　设置关注列表
rlist = [s]
wlist = []
xlist = [s]
#　循环监控ＩＯ
while True:
  rs,ws,xs = select(rlist,wlist,xlist)
  # 遍历三个返回列表,处理ＩＯ
  for r in rs:
 # 根据遍历到ＩＯ的不同使用ｉｆ分情况处理
 if r is s:
c,addr = r.accept()
print("Connect from",addr)
rlist.append(c) #　增加新的ＩＯ事件
 # else为客户端套接字就绪情况
 else:
data = r.recv(1024)
# 客户端退出
if not data:
  rlist.remove(r) #　从关注列表移除
  r.close()
  continue # 继续处理其他就绪ＩＯ
print("Receive:",data.decode())
# r.send(b'OK')
#　我们希望主动处理这个ＩＯ对象
wlist.append(r)
  for w in ws:
 w.send(b'OK')
 wlist.remove(w) #　使用后移除
  for x in xs:
 pass

注意:

wlist中如果存在IO事件,则select立即返回给ws
处理IO过程中不要出现死循环占有服务端的情况
IO多路复用消耗资源较少,效率较高扩展:

5.3、位运算

将整数转换为二进制, 按照二进制位进行运算符操作
& 按位与　　 | 按位或　　 ^ 按位异或　　 << 左移 >> 右移
11 1011　　　　14 1110
(11 & 14 1010) 　　(11| 14 1111)　　(11^ 14 0101)
11 << 2 ===> 44右侧补0　　　　14 >> 2 ===> 3 挤掉右侧的数字

使用：

在做底层硬件时操作寄存器
做标志位的过滤

5.4、poll方法实现IO多路复用

创建poll对象：p = select.poll()

注册关注的IO事件：p.register(fd,event)

fd要关注的IO
event 要关注的IO事件类型

常用类型:

POLLIN 读IO事件(rlist)
POLLOUT 写IO事件 (wlist)
POLLERR 异常IO (xlist)
POLLHUP 断开连接

取消对IO的关注：p.unregister(fd)

参数: IO对象或者IO对象的fileno

events = p.poll()：

功能: 　阻塞等待监控的IO事件发生
返回值：返回发生的IO事件

events是一个列表 [(fileno,evnet),(),()....]

每个元组为一个就绪IO,元组第一项是该IO的fileno,第二项为该IO就绪的事件类型

poll_server 步骤

1.创建套接字

2.将套接字register

3.创建查找字典,并维护

4.循环监控IO发生

5.处理发生的IO

from socket import *
from select import *
#　创建套接字
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)
# 创建ｐｏｌｌ对象关注ｓ
p = poll()
#　建立查找字典，用于通过ｆｉｌｅｎｏ查找ＩＯ对象
fdmap = {s.fileno():s}
# 关注ｓ
p.register(s,POLLIN|POLLERR)
#　循环监控
while True:
  events = p.poll()
  #　循环遍历发生的事件　ｆｄ-->fileno
  for fd,event in events:
 #　区分事件进行处理
 if fd == s.fileno():
c,addr = fdmap[fd].accept()
print("Connect from",addr)
#　添加新的关注ＩＯ
p.register(c,POLLIN|POLLERR)
fdmap[c.fileno()] = c #　维护字典
 #　按位与判定是ＰＯＬＬＩＮ就绪
 elif event & POLLIN:
data = fdmap[fd].recv(1024)
if not data:
  p.unregister(fd) #　取消关注
  fdmap[fd].close()
  del fdmap[fd]  #　从字典中删除
  continue
print("Receive:",data.decode())
fdmap[fd].send(b'OK')

5.5、epoll方法

1. 使用方法 : 基本与poll相同

生成对象改为 epoll()
将所有事件类型改为EPOLL类型

2. epoll特点

epoll 效率比select poll要高
epoll 监控IO数量比select要多
epoll 的触发方式比poll要多 (EPOLLET边缘触发)

from socket import *
from select import *
#　创建套接字
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)
# 创建eｐｏｌｌ对象关注ｓ
ep = epoll()
#　建立查找字典，用于通过ｆｉｌｅｎｏ查找ＩＯ对象
fdmap = {s.fileno():s}
# 关注ｓ
ep.register(s,EPOLLIN|EPOLLERR)
#　循环监控
while True:
  events = ep.poll()
  #　循环遍历发生的事件　ｆｄ-->fileno
  for fd,event in events:
 print("亲，你有ＩＯ需要处理哦")
 #　区分事件进行处理
 if fd == s.fileno():
c,addr = fdmap[fd].accept()
print("Connect from",addr)
#　添加新的关注ＩＯ
#　将触发方式变为边缘触发
ep.register(c,EPOLLIN|EPOLLERR|EPOLLET)
fdmap[c.fileno()] = c #　维护字典
 #　按位与判定是EＰＯＬＬＩＮ就绪
 # elif event & EPOLLIN:
 #data = fdmap[fd].recv(1024)
 #if not data:
 #  ep.unregister(fd) #　取消关注
 #  fdmap[fd].close()
 #  del fdmap[fd]  #　从字典中删除
 #  continue
 #print("Receive:",data.decode())
 #fdmap[fd].send(b'OK')

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