問題復現(xiàn)

Windows 平臺下，Python 版本 3.5，使用異步框架 asyncio，有時候會出現(xiàn) ValueError: too many file descriptors in select() 的報錯信息，我們就來聊一下為什么會出現(xiàn)這種問題，以及問題的一些解決方法。

寫一個小 dome 復現(xiàn)這個問題（環(huán)境：Windows 64 位、Python 3.7）：

import aiohttp
import asyncio


num = 0


async def main(url):
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get(url) as response:
            global num
            num += 1
            print('%s ——> %s' % (str(num), response.status))


def tasks():
    url = 'https://www.baidu.com/s?ie=UTF-8&wd=%s'
    task = [main(url % i) for i in range(10000)]
    return task


loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks()))

在打印 500 次左右后就會出現(xiàn)以下報錯：

問題分析

好像這個報錯和 select 有關，那什么是 select 呢？要怎么解決呢？別急，我們首先來了解一下 asyncio 中的事件循環(huán)，即 EventLoop。

事件循環(huán) EventLoop

事件循環(huán)是 asyncio 的核心，異步任務的運行、任務完成之后的回調、網(wǎng)絡 I/O 操作、子進程的運行，都是通過事件循環(huán)完成的，通俗來講，事件循環(huán)所做的就是等待事件發(fā)生，然后再將每個事件與我們已明確與所述事件類型匹配的函數(shù)進行匹配。

下圖很好的展示了協(xié)程、事件循環(huán)之間的相互作用：

在 asyncio 中，主要提供了兩種不同事件循環(huán)的實現(xiàn)方法：

• SelectorEventLoop：基于 selectors 模塊的事件循環(huán)，selectors 又是建立在底層的 I/O 復用模塊 select 之上的，selectors 提供了高度封裝和高效的 I/O 復用，也就是說 SelectorEventLoop 在底層就是使用了 select I/O 多路復用的機制。
• ProactorEventLoop：使用 IOCP 專為 Windows 構建的事件循環(huán)，IOCP 全稱 I/O Completion Port，即 I/O 完成端口。它是支持多個同時發(fā)生的異步 I/O 操作的應用程序編程接口，它充分利用內核對象的調度，只使用少量的幾個線程來處理和客戶端的所有通信，消除了無謂的線程上下文切換，是 Windows 下性能最好的 I/O 模型，有關 IOCP 的詳細介紹可參考微軟文檔。

那么這兩種方法有什么區(qū)別呢？在 asyncio 中什么時候用什么方法呢？

我們不妨看一下 asyncio 的源碼，在 Python 3.7 中，無論在 Windows 還是 Linux 中都可以看到其默認的設置是 SelectorEventLoop：

我們也可以分別在 Windows 平臺和 Linux 平臺打印一下 EventLoop 對象（Python 3.7），可以看到默認都是 SelectorEventLoop：

import asyncio

loop = asyncio.get_event_loop()
print(loop)

• Windows：

• Linux：

事實上，在 Python 3.7 以及之前的版本中， 所有平臺默認使用的都是 SelectorEventLoop，在 Python 3.8 以及以后的版本中，Unix 平臺默認使用的是 SelectorEventLoop，Windows 平臺默認使用的是 ProactorEventLoop，這個差異可以在官方文檔中看到。

• Python 3.7 文檔：https://docs.python.org/3.7/library/asyncio-eventloop.html#event-loop-implementations
• Python 3.8 文檔：https://docs.python.org/3.8/library/asyncio-eventloop.html#event-loop-implementations

說了這么多，這和 ValueError: too many file descriptors in select() 的報錯問題有什么關系呢？select 到底是什么東西呢？

I/O 多路復用

要了解 select，我們還要了解一下什么是 I/O 多路復用（I/O multiplexing），服務器端編程經(jīng)常需要構造高性能的 I/O 模型，常見的 I/O 模型有同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路復用等；當需要同時處理多個客戶端接入請求時，可以利用多線程或者 I/O 多路復用技術進行處理，I/O 多路復用技術就是為了解決進程或線程阻塞到某個 I/O 系統(tǒng)調用而出現(xiàn)的技術，使進程不阻塞于某個特定的 I/O 系統(tǒng)調用。

select，poll，epoll 等都是 I/O 多路復用的一種機制，其中后兩個在 Linux 中可用，Windows 僅支持 select，I/O 多路復用通過這種機制，可以監(jiān)視多個描述符，一旦某個描述符就緒，一般是讀就緒或者寫就緒，就是在這個文件描述符進行讀寫操作之前，能夠通知程序進行相應的讀寫操作。

select 的缺點

I/O 多路復用這個概念被提出來以后， select 是第一個實現(xiàn)這個概念的，select 被實現(xiàn)以后，很快就暴露出了很多問題，其中一個缺點就是 select 在 Windows 中限制了文件描述符數(shù)量為 512 個，在 Linux 中限制為 1024 個，那么在前面的 dome 中，使用的是 Python 3.5，這個版本的 asyncio 默認使用了 SelectorEventLoop，底層調用的是 select，受 select 缺點的影響，并發(fā)量過高，就出現(xiàn)了 ValueError: too many file descriptors in select() 的報錯信息。

解決方法

1.更換事件循環(huán)選擇器

如果你使用的是 Python 3.7 及以下的版本，那么在 Windows 平臺，可以使用 ProactorEventLoop。在 Linux 平臺可以使用 PollSelector。

注意：如果你使用了 ProactorEventLoop，那么你將無法使用代理！這是 asyncio 的 bug，早在 2020 年 1 月就有人提過 issue，目前仍然可以看到類似的 issue，官方貌似也還沒辦法解決，所以，如果您必須要使用代理，則可以參考后面的解決辦法。

import selectors
import asyncio
import sys

if sys.platform == 'win32':
    loop = asyncio.ProactorEventLoop()
    asyncio.set_event_loop(loop)
else:
    selector = selectors.PollSelector()
    loop = asyncio.SelectorEventLoop(selector)
    asyncio.set_event_loop(loop)

2.限制并發(fā)量

可以使用方法 asyncio.Semaphore() 來限制并發(fā)量，Semaphore 就是信號量的意思，Semaphore 管理一個內部計數(shù)器，該計數(shù)器在每次調用 acquire() 方法時遞減，每次調用 release() 方法時遞增，計數(shù)器永遠不會低于零，當方法 acquire() 發(fā)現(xiàn)它為零時，它會阻塞，等待其他線程調用 release() 方法。

通過限制并發(fā)量的方法來解決報錯問題是個不錯的選擇。

import aiohttp
import asyncio


num = 0


async def main(url, semaphore):
    async with semaphore:
        async with aiohttp.ClientSession() as session:
            async with session.get(url) as response:
                global num
                num += 1
                print('%s ——> %s' % (str(num), response.status))


def tasks():
    semaphore = asyncio.Semaphore(300)                         # 限制并發(fā)量為 300
    url = 'https://www.baidu.com/s?ie=UTF-8&wd=%s'
    task = [main(url % i, semaphore) for i in range(10000)]    # #總共 10000 任務
    return task


loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks()))

3.修改最大文件描述符限制Windows

在 Windows 中，最大文件描述符限制在 C 語言的頭文件 Winsock2.h 中使用變量 FD_SETSIZE 進行定義，如果要修改它，可以通過在包含 Winsock2.h 之前將 FD_SETSIZE 定義為另一個值來修改，如果我們使用的編程語言是 Python 的話，是不太好對這個值進行修改的，可以參考微軟官方文檔：https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/winsock2/nf-winsock2-select

Linux

在 Linux 平臺，可以使用 ulimit 命令來修改最大文件描述符限制：

• 查看當前會話最大文件描述符限制（默認1024）：ulimit -n
• 臨時修改限制，只對當前的會話有效：ulimit -SHn 65536
• 永久修改限制，在 /etc/security/limits.conf 文件里新增以下內容：

* hard nofile 65536
* soft nofile 65536

ulimit 命令參考：

• -S使用軟 (soft) 資源限制
• -H使用硬 (hard) 資源限制
• -a所有當前限制都被報告
• -b套接字緩存尺寸
• -c創(chuàng)建的核文件的最大尺寸
• -d一個進程的數(shù)據(jù)區(qū)的最大尺寸
• -e最高的調度優(yōu)先級 (nice)
• -f有 shell 及其子進程可以寫的最大文件尺寸
• -i最多的可以掛起的信號數(shù)
• -k分配給此進程的最大 kqueue 數(shù)量
• -l一個進程可以鎖定的最大內存尺寸
• -m最大的內存進駐尺寸
• -n最多的打開的文件描述符個數(shù)
• -p管道緩沖區(qū)尺寸
• -qPOSIX 信息隊列的最大字節(jié)數(shù)
• -r實時調度的最大優(yōu)先級
• -s最大棧尺寸
• -t最大的CPU時間，以秒為單位
• -u最大用戶進程數(shù)
• -v虛擬內存尺寸
• -x最大的文件鎖數(shù)量
• -P最大偽終端數(shù)量
• -T最大線程數(shù)量

總結

asyncio 事件循環(huán)選擇器，在 Python 3.7 以及之前的版本中，所有平臺默認使用的都是 SelectorEventLoop，在 Python 3.8 以及以后的版本中，Unix 平臺默認使用的是 SelectorEventLoop，Windows 平臺默認使用的是 ProactorEventLoop。

select 在 Windows 中限制了文件描述符最大數(shù)量為 512 個，在 Linux 中限制為 1024 個。

要解決 ValueError: too many file descriptors in select() 的報錯問題，根據(jù)您的平臺和業(yè)務要求選擇合理的解決方法：

Windows

• 通過 asyncio.Semaphore() 方法來限制并發(fā)量，通常設置在 300-500 比較合理，這是最優(yōu)的做法；
• 更換 asyncio 的事件循環(huán)選擇器為 ProactorEventLoop，注意：這將導致無法使用代理！

Linux

• 通過 asyncio.Semaphore() 方法來限制并發(fā)量，通常設置在 800-1000 比較合理；
• 通過 ulimit 命令來修改最大文件描述符限制；
• 更換 asyncio 的事件循環(huán)選擇器為 PollSelector。

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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