python网络编程

一.概述
Python 是解释型语言，在程序运行时边解释边执行代码。Python 会先将原生代码编译成字节码，运行过程中将字节码解释执行。Python 的运行环境需要 Python 虚拟机，翻译字节码执行。Python 代码会将字节码存放在 .pyc 的文件中，虚拟机会执行 .pyc 文件中的字节码。

相对于编译型语言，解释型语言在性能方面较差，为了提高性能，Python 也实现了进程和线程，但是由于各方面的限制，实现都不是很好。在 Python 中很少使用进程和线程，使用较多的是协程，协程的资源开销较少，并且易于控制。

二、函数的字节码
每一列的含义
源码行号 | 指令在函数中的偏移 | 指令符号 | 指令参数 | 实际参数值(参考)

三、socket
socket对外提供了一套丰富的接口，通过这些接口就可以统一、方便地使用 TCP/IP 协议。下面所列的是最常用的几个，我们在后面的学习中会用到它们。

• socket 创建 socket 实例
• bind 绑定地址和端口
• listen 开始监听网络
• accept 接收客户端连接
• connect 连接服务器
• send 发送数据
• recv 接收数据
• close 关闭 socket

# 服务器套接字相当于总机接线员，接到客户电话后转给分机客服
# 当成功接入一个客户端，accept 方法会返回一个临时套接字和对方地址 tcp_extension_sock, addr = tcp_server_sock.accept()

四、Linux I/O 模型
首先了解一下同步 (synchronous) 和异步 (asynchronous)，阻塞 (blocking) 和非阻塞 (non-blocking) 之间的区别。

• 同步意味着有序，多个程序之间协调一致，依次进行。
• 异步意味着无序，多个程序执行顺序不确定，也可以交替运行。
• 阻塞，一个程序在等待某个操作完成，自身停止运行，无法继续做其它任务，直到这个操作完成才继续运行。
• 非阻塞，一个程序在等待某个操作完成，自身不会停止运行，继续执行其它任务。

阻塞/非阻塞和异步/同步是两组不同的概念，阻塞程序也可以实现异步执行，例如多线程执行。非阻塞也可以实现异步执行，例如多路复用。

I/O 指的是相对内存而言的 input 和 output。从文件、数据库、网络向内存中写入数据叫做 input；从内存向文件、数据库、网络中输出数据叫做 output 。Linux 系统 I/O 分为内核准备数据和将数据从内核拷贝到用户空间两个阶段。

Liunx 下有五种 I/O 模型：

• 阻塞 I/O（blocking I/O）
• 非阻塞 I/O （nonblocking I/O）
• I/O 复用（I/O multiplexing）
• 信号驱动 I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
• 异步 I/O （asynchronous I/O）

本节课程首先粗略地介绍这五种模型，然后详细讲解其中的重点内容。

阻塞 I/O

当用户态进程调用系统函数获取数据时，如果内核中还没有准备好数据，用户态进程将一直等待，不进行其它操作，等内核将数据准备好之后，进程将数据从内核空间拷贝到用户空间，这时候系统调用函数返回，解除阻塞状态，处理接收到的数据。

非阻塞 I/O

用户态进程调用系统函数获取数据时，如果内核中还没有准备好数据，会返回错误信息给进程，而进程接收到错误信息，不会阻塞。但是内核会继续准备数据，进程不知道内核什么时候会准备好数据，所以会不断调用系统函数询问内核，直到内核准备好数据，进程将数据从内核复制到用户空间，系统函数调用结束，进程开始处理接收到到数据。

I/O 复用

在计算机网络里面，有很多关于 “复用” 的用法，比如多路复用，意思就是本来一条链路上一次只能传输一个数据流，如果要实现两个源之间多条数据流同时传输，那就得需要多条链路了。复用技术可以通过将一条链路划分频率，或者划分传输的时间，使得一条链路上可以同时传输多条数据流。I/O 复用是在一个进程里会处理多个消息事件。I/O 多路复用技术实际使用得最多，接下来我们重点学习这种技术。

信号驱动式 I/O 模型

当用户态进程需要数据时，会向内核发送一个信号，告诉内核要什么数据，然后去做自己其他的事情了，当内核态的数据准备好之后，内核马上给用户态进程发送信号，用户态进程收到信号立马调用系统调用，将数据从内核空间拷贝到用户空间，完成之后用户态进程开始处理接收到的数据。这种技术模型实际应用很少。

异步 I/O 模型

用户态进程需要数据时会告诉内核态需要什么，然后就不用管了，可以做其它事情。内核会将用户态需要的数据准备好，并将数据复制到用户空间，这时才通知用户进程。用户进程可以直接处理用户空间的数据，无需等待任何 I/O 操作。

我们看到前四个 I/O 模型处理数据时，都是用户进程将数据从内核空间拷贝到用户空间，这一段时间对于进程来说是阻塞的。只有异步 I/O 是内核将数据从内核空间拷贝到用户空间，用户进程完全是异步操作，所以从内核层面看前四个模型可以称为同步 I/O ，最后一个是异步 I/O 。

五、IO多路复用
I/O 多路复用是一个线程里会监视多个文件描述符，在其中一个或者多个描述符准备好之后，内核会通知用户进程，用户进程来处理数据。

文件描述符（File Descriptor）是计算机科学中的术语，是一个用于描述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一个非负整数，实际上它是一个指向 “文件打开记录表” 的索引值，“文件打开记录表” 是由内核为每个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层程序往往会围绕文件描述符展开编写工作。不过文件描述符这一概念只适用于类 Unix 操作系统。在一个进程中，每个套接字对应一个独一无二且固定不变的文件描述符。

和多线程、多进程相比，I/O 多路复用没有创建新的进程或线程，不必进行进程或线程的上下文切换，减小了系统开销。目前 Linux 系统中常见的几种 I/O 多路复用是 select 、poll 、epoll。

select 使用时间最早，也是支持系统最多的多路复用技术，跨平台性最好。select 维护了一个用来存放大量文件描述符的数据结构，通过设置或者检查数据结构的状态来处理数据。select 是最早出现的系统调用，它可以在大多数系统中使用。select.select 方法监视的文件描述符分为三类：writefds 可读、readfds 可写、和 exceptfds 异常。该方法调用后处于阻塞状态，直到有描述符就绪（有套接字可读、可写、异常）或者超时（timeout 参数指定等待时间）。select.select 方法的返回值是元组，元组中有三个列表，列表里的元素是描述符已就绪的套接字。

select 的缺点也是最多的：

• 单个进程打开的文件描述符数量是有一定限制的，由 FD_SETSIZE 设置，在 32 位机默认是 1024 个，64 位机默认是 2048.
• 对描述符进行轮询线性扫描，无论哪个文件描述符活跃了，都要将所有注册的描述符遍历一遍，效率低下。
• 在用户空间和内核空间之间进行复制数据，系统开销大。