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深入理解异步I/O+epoll+协程

前言

同步和异步 的概念描述的是用户线程与内核的交互方式:同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行;而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行,当内核IO操作完成后会通知用户线程,或者调用用户线程注册的回调函数。
阻塞和非阻塞 的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式:阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间;而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值,无需等到IO操作彻底完成。

异步I/O

在理解异步I/O之前,我们先要知道什么是 同步I/O
阻塞同步I/O 模型下,用户线程向内核发起 recvfrom 系统调用,当数据没有准备好的时候,用户线程阻塞。
此外还有一种 非阻塞同步I/O ,此时用户线程不阻塞于 recvfrom,而是反复向系统查询数据状态。当数据准备好了,就对数据进行后续处理。

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而在 异步I/O 模式下,用户线程在数据还没有准备好的时候 既不阻塞也不反复查询 ,而是 继续干自己该干的事情 。内核会开启一个 内核线程 去读取数据,等到数据准备好了,内核给用户线程一个信号,用户线程中断去执行信号处理函数。

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node.js 中的异步回调也是采用开线程的方式实现的

epoll

epoll/select 是一种 I/O多路复用模型
用户线程可以先通过 epoll 注册多个I/O事件
然后用户线程反复执行调用 epoll/select 查询是否有准备好的事件
如果有准备好的I/O事件则进行处理
关键点是 一个用户线程处理多个I/O事件

epoll/select 的区别在于
select 的底层原理是遍历所有注册的I/O事件,找出准备好的的I/O事件。
而 epoll 则是由内核主动通知哪些I/O事件需要处理,不需要用户线程主动去反复查询,因此大大提高了事件处理的效率。

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协程

协程是一种轻量级的线程
本质上协程就是用户空间下的线程
如果把线程/进程当作虚拟“CPU”,协程即跑在这个“CPU”上的线程。

协程的特点

  1. 占用的资源更少。
  2. 所有的切换和调度都发生在用户态。

不管是进程还是线程,每次阻塞、切换都需要陷入系统调用,先让CPU跑操作系统的调度程序,然后再由调度程序决定该跑哪一个线程。而且由于 抢占式调度执行顺序无法确定 的特点,使用线程时需要非常小心地处理同步问题,而协程完全不存在这个问题。
因为 协程可以在用户态显示控制切换

例子
传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息,一个线程取消息,通过锁机制控制队列和等待,但一不小心就可能死锁。

如果改用协程,生产者生产消息后,直接通过yield跳转到消费者开始执行,待消费者执行完毕后,切换回生产者继续生产,效率极高:

 import time

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    c.next()
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
    c.close()

if __name__=='__main__':
    c = consumer()
    produce(c)
  

协程的优点是可以用同步的处理方式实现异步回调的性能

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文章来源:智云一二三科技

文章标题:深入理解异步I/O+epoll+协程

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