浅谈Python基础之I/O模型

什么是I/O模型

I/O模型是指在计算机系统中，处理器对外设进行输入输出数据的方式或模式。常见的I/O模型有以下几种：

1. 同步阻塞IO（Blocking I/O）
2. 同步非阻塞IO（Non-Blocking I/O）
3. I/O多路复用（I/O Multiplexing）
4. 异步IO（Asynchronous I/O）

在Python中，以上I/O模型都有所应用，其中I/O多路复用是最为常用的。

Python的I/O多路复用

在Python中，I/O多路复用的实现方式主要使用select/poll/epoll模块。这三者都提供了一种通用的方式，使得一个线程能够同时处理多个I/O操作。我们可以通过这些模块实现多个socket的异步通信，从而提高系统的IO吞吐量。

以下是基于select模块的socket实现示例：

import select
import socket

# 创建socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
server_socket.bind(('localhost', 8000))
server_socket.listen(5)

# 创建select实例
inputs = [server_socket]
outputs = []

# 进入循环
while True:
    readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)

    for s in readable:
        # 判断是否有新的连接
        if s is server_socket:
            client_socket, address = server_socket.accept()
            print('接受来自客户端 %s 的连接' % str(address))
            inputs.append(client_socket)

        # 接收客户端的数据
        else:
            data = s.recv(1024)
            if data:
                print('接受来自客户端的数据：%s' % data.decode('utf-8'))
                if s not in outputs:
                    outputs.append(s)

            # 客户端关闭连接
            else:
                print('客户端 %s 关闭连接' % str(s.getpeername()))
                if s in outputs:
                    outputs.remove(s)
                inputs.remove(s)
                s.close()

    for s in writable:
        # 将数据发送给客户端
        s.send(b'Hello, world!')
        outputs.remove(s)

    for s in exceptional:
        # 处理异常
        inputs.remove(s)
        if s in outputs:
            outputs.remove(s)
        s.close()

在上面的示例中，我们创建了一个socket实例并绑定到本地地址和端口。然后创建一个select实例，并将输入的socket添加到input列表中，当有数据可读、数据可写或者出现异常时，select实例会返回对应的socket，并通过相应操作进行处理。

I/O多路复用的优缺点

使用I/O多路复用的优点在于可以将多个socket的读写事件监听在同一个线程上，从而提高系统的效率。同时，因为没有多线程/多进程的切换开销，所以对系统资源的消耗相对较小。另外，I/O多路复用适用于连接数较少、连接时间较长或者交互数据量较小的场景。

但在使用I/O多路复用的过程中，也会有一些缺点。因为一个线程只能负责一个socket的读写，当存在大量socket时，会阻塞主线程，并且在处理文件描述符的过程中，需要将数据复制从内核空间复制到用户空间，可能会导致数据的重复复制，进一步影响效率。

总结

Python的I/O模型有多种，其中最为常用的是I/O多路复用。在实现I/O多路复用时，我们可以使用select/poll/epoll模块。这样可以提高系统效率，但也需要注意I/O多路复用的优缺点。

示例说明

以上代码示例中，我们创建了一个socket服务器，使用了select模块进行IO多路复用，接收到客户端发送的消息后将其打印并回复一个“Hello World！”的消息。界面可使用telnet模拟客户端连接服务器，并发送消息进行测试。

以下代码示例是基于异步IO模型的实现方式。

import asyncio

async def tcp_echo_client(reader, writer):
    while True:
        data = await reader.read(1024)
        message = data.decode()

        print(f"接受到消息: {message}")
        writer.write(data)
        await writer.drain()

    writer.close()

async def tcp_echo_server():
    server = await asyncio.start_server(tcp_echo_client, '127.0.0.1', 8888)

    async with server:
        await server.serve_forever()

asyncio.run(tcp_echo_server())

以上代码示例中，我们使用了Python 3.7中引入的asyncio模块，创建了一个异步的TCP服务器，在接收到客户端的消息后，将其打印并返回给客户端。我们可以使用telnet模拟客户端连接并发送消息进行测试。当我们需要创建高效、高并发的网络程序时，异步IO模型是一个不错的选择。