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一、常見模型分類

1.1、循環服務器模型

循環接收客戶端請求,處理請求。同一時刻只能處理一個請求,處理完畢后再處理下一個。

優點:實現簡單,占用資源少
缺點:無法同時處理多個客戶端請求
適用情況:處理的任務可以很快完成,客戶端無需長期占用服務端程序。udp比tcp更適合循環。

1.2、IO并發模型

利用IO多路復用,異步IO等技術,同時處理多個客戶端IO請求。

優點 : 資源消耗少,能同時高效處理多個IO行為
缺點 : 只能處理并發產生的IO事件,無法處理cpu計算
適用情況:HTTP請求,網絡傳輸等都是IO行為。

1.3、多進程/線程網絡并發模型

每當一個客戶端連接服務器,就創建一個新的進程/線程為該客戶端服務,客戶端退出時再銷毀該進程/線程。

優點:能同時滿足多個客戶端長期占有服務端需求,可以處理各種請求。
缺點: 資源消耗較大
適用情況:客戶端同時連接量較少,需要處理行為較復雜情況。

二、基于fork的多進程網絡并發模型

1.創建監聽套接字

2.等待接收客戶端請求

3.客戶端連接創建新的進程處理客戶端請求

4.原進程繼續等待其他客戶端連接

5.如果客戶端退出,則銷毀對應的進程

from socket import *
import os
import signal

# 創建監聽套接字
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8888
ADDR = (HOST,PORT)

# 客戶端服務函數
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)   # 設置套接字端口重用
s.bind(ADDR)
s.listen(3)

signal.signal(signal.SIGCHLD,signal.SIG_IGN)    # 處理僵尸進程

print("Listen the port %d..." % PORT)

# 循環等待客戶端連接
while True:
  try:
    c,addr = s.accept()
  except KeyboardInterrupt:
    os._exit(0)
  except Exception as e:
    print(e)
    continue

  # 創建子進程處理這個客戶端
  pid = os.fork()
  if pid == 0:  # 處理客戶端請求
    s.close()
    handle(c)
    os._exit(0)  # handle處理完客戶端請求子進程也退出

  # 無論出錯或者父進程都要循環回去接受請求
  # c對于父進程沒用
  c.close()

三、基于threading的多線程網絡并發

1.創建監聽套接字

2.循環接收客戶端連接請求

3.當有新的客戶端連接創建線程處理客戶端請求

4.主線程繼續等待其他客戶端連接

5.當客戶端退出,則對應分支線程退出

from socket import *
from threading import Thread
import sys

# 創建監聽套接字
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8888
ADDR = (HOST,PORT)

# 處理客戶端請求
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)
# 循環等待客戶端連接
while True:
  try:
    c,addr = s.accept()
  except KeyboardInterrupt:
    sys.exit("服務器退出")
  except Exception as e:
    print(e)
    continue

  # 創建線程處理客戶端請求
  t = Thread(target=handle, args=(c,))
  t.setDaemon(True)   # 父進程結束則所有進程終止
  t.start()

四、ftp 文件服務器

4.1、項目功能

客戶端有簡單的頁面命令提示:功能包含：

查看服務器文件庫中的文件列表（普通文件）
可以下載其中的某個文件到本地
可以上傳客戶端文件到服務器文件庫

服務器需求：

允許多個客戶端同時操作
每個客戶端可能回連續發送命令

技術分析：

tcp套接字更適合文件傳輸
并發方案 ---》 fork 多進程并發
對文件的讀寫操作獲取
文件列表 ----》 os.listdir()

粘包的處理

4.2、整體結構設計

服務器功能封裝在類中（上傳，下載，查看列表）
創建套接字，流程函數調用 main（）
客戶端負責發起請求，接受回復，展示
服務端負責接受請求，邏輯處理

ftp server：

from socket import *
from threading import Thread
import os
import time

#　全局變量
HOST = '0.0.0.0'
PORT = 8080
ADDR = (HOST,PORT)
FTP = "/home/tarena/FTP/"  #　文件庫位置

# 創建文件服務器服務端功能類
class FTPServer(Thread):
  def __init__(self,connfd):
    self.connfd = connfd
    super().__init__()

  def do_list(self):
    #　獲取文件列表
    files = os.listdir(FTP)
    if not files:
      self.connfd.send("文件庫為空".encode())
      return
    else:
      self.connfd.send(b'OK')
      time.sleep(0.1)  #　防止和后面發送內容粘包

    #　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)
    #　文件發送
    while True:
      data = fd.read(1024)
      if not data:
        time.sleep(0.1)
        self.connfd.send(b'##')
        break
      self.connfd.send(data)

  #　循環接收客戶端請求
  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)

# 網絡搭建
def main():
  # 創建套接字
  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("服務器程序退出")
      return
    except Exception as e:
      print(e)
      continue

    #　創建新的線程處理客戶端
    client = FTPServer(connfd)
    client.setDaemon(True)
    client.start()   #　運行ｒｕｎ方法


if __name__ == "__main__":
  main()

ftp client：

from socket import *
import sys

ADDR = ('127.0.0.1',8080) # 服務器地址

#　客戶端功能處理類
class FTPClient:
  def __init__(self,sockfd):
    self.sockfd = sockfd

  def do_list(self):
    self.sockfd.send(b'L')  #　發送請求
    # 等待回復
    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):
    #　發送請求
    self.sockfd.send(('G '+filename).encode())
    # 等待回復
    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("謝謝使用")

#　創建客戶端網絡
def main():
  sockfd = socket()
  try:
    sockfd.connect(ADDR)
  except Exception as e:
    print(e)
    return

  ftp = FTPClient(sockfd) #　實例化對象

  #　循環發送請求
  while True:
    print("\n=========命令選項==========")
    print("****      list         ****")
    print("****    get file       ****")
    print("****    put file       ****")
    print("****      quit         ****")
    print("=============================")

    cmd = input("輸入命令：")

    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("請輸入正確命令")



if __name__ == "__main__":
  main()

五、IO并發

定義：在內存中數據交換的操作被定義為IO操作，IO------輸入輸出

內存和磁盤進行數據交換：文件的讀寫數據庫更新

內存和終端數據交換：input print sys.stdin sys.stdout sys.stderr

內存和網絡數據的交換：網絡連接 recv send recvfrom

IO密集型程序：程序執行中有大量的IO操作，而較少的cpu運算操作。消耗cpu較少，IO運行時間長

CPU(計算)密集型程序：程序中存在大量的cpu運算，IO操作相對較少，消耗cpu大。

5.1、IO分類

IO分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路復用、事件驅動IO、異步IO

阻塞IO

定義: 在執行IO操作時如果執行條件不滿足則阻塞。阻塞IO是IO的默認形態。
效率: 阻塞IO是效率很低的一種IO。但是由于邏輯簡單所以是默認IO行為。

阻塞情況:

因為某種執行條件沒有滿足造成的函數阻塞　　e.g. accept input recv
處理IO的時間較長產生的阻塞狀態　　e.g. 網絡傳輸, 大文件讀寫

非阻塞IO

定義 : 通過修改IO屬性行為, 使原本阻塞的IO變為非阻塞的狀態。

設置套接字為非阻塞IO

sockfd.setblocking(bool)
功能: 設置套接字為非阻塞IO
參數: 默認為True,表示套接字IO阻塞;設置為False則套接字IO變為非阻塞

超時檢測 :設置一個最長阻塞時間,超過該時間后則不再阻塞等待。

sockfd.settimeout(sec)
功能:設置套接字的超時時間
參數:設置的時間

5.2、IO多路復用

定義：通過一個監測，可以同時監控多個IO事件的行為。當哪個IO事件可以執行，即讓這個IO事件發生。

rs, ws, xs = select(rlist, wlist, xlist[, timeout])　　監控IO事件，阻塞等待監控的IO時間發生

參數：

rlist列表，存放（被動）等待處理的IO （接收）
wlist列表，存放主動處理的IO（發送）
xlist列表，存放出錯，希望去處理的IO（異常）
timeout 超時檢測

返回值:

rs列表rlist中準備就緒的IO
ws列表wlist中準備就緒的IO
xs列表xlist中準備就緒的IO

select 實現tcp服務

1.將關注的IO放入對應的監控類別列表

2.通過select函數進行監控

3.遍歷select返回值列表,確定就緒IO事件

4.處理發生的IO事件

from socket import *
from select import select

#　創建一個監聽套接字作為關注的ＩＯ
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)

#　設置關注列表
rlist = [s]
wlist = []
xlist = [s]

#　循環監控ＩＯ
while True:
  rs,ws,xs = select(rlist,wlist,xlist)
  # 遍歷三個返回列表,處理ＩＯ
  for r in rs:
    # 根據遍歷到ＩＯ的不同使用ｉｆ分情況處理
    if r is s:
      c,addr = r.accept()
      print("Connect from",addr)
      rlist.append(c) #　增加新的ＩＯ事件
    # else為客戶端套接字就緒情況
    else:
      data = r.recv(1024)
      # 客戶端退出
      if not data:
        rlist.remove(r) #　從關注列表移除
        r.close()
        continue # 繼續處理其他就緒ＩＯ
      print("Receive:",data.decode())
      # r.send(b'OK')
      #　我們希望主動處理這個ＩＯ對象
      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,則select立即返回給ws
處理IO過程中不要出現死循環占有服務端的情況
IO多路復用消耗資源較少,效率較高擴展:

5.3、位運算

將整數轉換為二進制, 按照二進制位進行運算符操作
按位與　　 | 按位或　　 ^ 按位異或　　左移 >> 右移
11 1011　　　　14 1110
(11 14 1010) 　　(11| 14 1111)　　(11^ 14 0101)
11 2 ===> 44 右側補0　　　　14 >> 2 ===> 3 擠掉右側的數字

使用：

在做底層硬件時操作寄存器
做標志位的過濾

5.4、poll方法實現IO多路復用

創建poll對象：p = select.poll()

注冊關注的IO事件：p.register(fd,event)

fd 要關注的IO
event 要關注的IO事件類型

常用類型:

POLLIN 讀IO事件(rlist)
POLLOUT 寫IO事件 (wlist)
POLLERR 異常IO (xlist)
POLLHUP 斷開連接

取消對IO的關注：p.unregister(fd)

參數: IO對象或者IO對象的fileno

events = p.poll()：

功能: 　阻塞等待監控的IO事件發生
返回值：返回發生的IO事件

events是一個列表 [(fileno,evnet),(),()....]

每個元組為一個就緒IO,元組第一項是該IO的fileno,第二項為該IO就緒的事件類型

poll_server 步驟

1.創建套接字

2.將套接字register

3.創建查找字典,并維護

4.循環監控IO發生

5.處理發生的IO

from socket import *
from select import *

#　創建套接字
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)

# 創建ｐｏｌｌ對象關注ｓ
p = poll()

#　建立查找字典，用于通過ｆｉｌｅｎｏ查找ＩＯ對象
fdmap = {s.fileno():s}

# 關注ｓ
p.register(s,POLLIN|POLLERR)

#　循環監控
while True:
  events = p.poll()
  #　循環遍歷發生的事件　ｆｄ-->fileno
  for fd,event in events:
    #　區分事件進行處理
    if fd == s.fileno():
      c,addr = fdmap[fd].accept()
      print("Connect from",addr)
      #　添加新的關注ＩＯ
      p.register(c,POLLIN|POLLERR)
      fdmap[c.fileno()] = c #　維護字典
    #　按位與判定是ＰＯＬＬＩＮ就緒
    elif event  POLLIN:
      data = fdmap[fd].recv(1024)
      if not data:
        p.unregister(fd) #　取消關注
        fdmap[fd].close()
        del fdmap[fd]  #　從字典中刪除
        continue
      print("Receive:",data.decode())
      fdmap[fd].send(b'OK')

5.5、epoll方法

1. 使用方法 : 基本與poll相同

生成對象改為 epoll()
將所有事件類型改為EPOLL類型

2. epoll特點

epoll 效率比select poll要高
epoll 監控IO數量比select要多
epoll 的觸發方式比poll要多 (EPOLLET邊緣觸發)

from socket import *
from select import *

#　創建套接字
s = socket()
s.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
s.bind(('0.0.0.0',8888))
s.listen(3)

# 創建eｐｏｌｌ對象關注ｓ
ep = epoll()

#　建立查找字典，用于通過ｆｉｌｅｎｏ查找ＩＯ對象
fdmap = {s.fileno():s}

# 關注ｓ
ep.register(s,EPOLLIN|EPOLLERR)

#　循環監控
while True:
  events = ep.poll()
  #　循環遍歷發生的事件　ｆｄ-->fileno
  for fd,event in events:
    print("親，你有ＩＯ需要處理哦")
    #　區分事件進行處理
    if fd == s.fileno():
      c,addr = fdmap[fd].accept()
      print("Connect from",addr)
      #　添加新的關注ＩＯ
      #　將觸發方式變為邊緣觸發
      ep.register(c,EPOLLIN|EPOLLERR|EPOLLET)
      fdmap[c.fileno()] = c #　維護字典
    #　按位與判定是EＰＯＬＬＩＮ就緒
    # elif event  EPOLLIN:
    #   data = fdmap[fd].recv(1024)
    #   if not data:
    #     ep.unregister(fd) #　取消關注
    #     fdmap[fd].close()
    #     del fdmap[fd]  #　從字典中刪除
    #     continue
    #   print("Receive:",data.decode())
    #   fdmap[fd].send(b'OK')

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