Select 模型简介

多路复用I/O

简明网络I/O模型文章可以知道常用的IO模型。其中同步模型中,使用多路复用I/O可以提高服务器的性能。

在多路复用的模型中,比较常用的有select模型和poll模型。这两个都是系统接口,由操作系统提供。当然,Pythonselect模块进行了更高级的封装。selectpoll的底层原理都差不多。下面就介绍select

select 原理

网络通信被Unix系统抽象为文件的读写,通常是一个设备,由设备驱动程序提供,驱动可以知道自身的数据是否可用。支持阻塞操作的设备驱动通常会实现一组自身的等待队列,如读/写等待队列用于支持上层(用户层)所需的blocknon-block操作。设备的文件的资源如果可用(可读或者可写)则会通知进程,反之则会让进程睡眠,等到数据到来可用的时候,再唤醒进程。

这些设备的文件描述符被放在一个数组中,然后select调用的时候遍历这个数组,如果对于的文件描述符可读则会返回改文件描述符。当遍历结束之后,如果仍然没有一个可用设备文件描述符,select让用户进程则会睡眠,直到等待资源可用的时候在唤醒,遍历之前那个监视的数组。每次遍历都是线性的。

select 回显服务器

select涉及系统调用和操作系统相关的知识,因此单从字面上理解其原理还是比较乏味。用代码来演示最好不过了。使用pythonselect模块很容易写出下面一个回显服务器:

运行上述代码,使用curl访问http://localhost:5000,即可看命令行返回请求的HTTP request信息。

下面详细解析上述代码的原理。

上述代码使用socket初始化一个TCP套接字,并绑定主机地址和端口,然后设置服务器监听。

这里定义了一个需要select监听的列表,列表里面是需要监听的对象(等于系统监听的文件描述符)。这里监听socket套接字和用户的输入。

然后代码进行一个服务器无线循环。

调用了select函数,开始循环遍历监听传入的列表inputs。如果没有curl服务器,此时没有建立tcp客户端连接,因此改列表内的对象都是数据资源不可用。因此select阻塞不返回。

客户端输入curl http://localhost:5000之后,一个套接字通信开始,此时input中的第一个对象server由不可用变成可用。因此select函数调用返回,此时的readable有一个套接字对象(文件描述符可读)。

select返回之后,接下来遍历可读的文件对象,此时的可读中只有一个套接字连接,调用套接字的accept()方法建立TCP三次握手的连接,然后把该连接对象追加到inputs监视列表中,表示我们要监视该连接是否有数据IO操作。

由于此时readable只有一个可用的对象,因此遍历结束。再回到主循环,再次调用select,此时调用的时候,不仅会遍历监视是否有新的连接需要建立,还是监视刚才追加的连接。如果curl的数据到了,select再返回到readable,此时在进行for循环。如果没有新的套接字,将会执行下面的代码:

通过套接字连接调用recv函数,获取客户端发送的数据,当数据传输完毕,再把监视的inputs列表中除去该连接。然后关闭连接。

整个网络交互过程就是如此,当然这里如果用户在命令行中输入中断,inputs列表中监视的sys.stdin也会让select返回,最后也会执行下面的代码:

有人可能有疑问,在程序处理sock连接的是时候,假设又输入了curl对服务器请求,将会怎么办?此时毫无疑问,inputs里面的server套接字会变成可用。等现在的for循环处理完毕,此时select调用就会返回server。如果inputs里面还有上一个过程的conn连接,那么也会循环遍历inputs的时候,再一次针对新的套接字acceptinputs列表进行监视,然后继续循环处理之前的conn连接。如此有条不紊的进行,直到for循环结束,进入主循环调用select

任何时候,inputs监听的对象有数据,下一次调用select的时候,就会繁返回readable,只要返回,就会对readable进行for循环,直到for循环结束在进行下一次select

主要注意,套接字建立连接是一次IO,连接的数据抵达也是一次IO

select的不足

尽管select用起来挺爽,跨平台的特性。但是select还是存在一些问题。
select需要遍历监视的文件描述符,并且这个描述符的数组还有最大的限制。随着文件描述符数量的增长,用户态和内核的地址空间的复制所引发的开销也会线性增长。即使监视的文件描述符长时间不活跃了,select还是会线性扫描。

为了解决这些问题,操作系统又提供了poll方案,但是poll的模型和select大致相当,只是改变了一些限制。目前Linux最先进的方式是epoll模型。

许多高性能的软件如nginx, nodejs都是基于epoll进行的异步。

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