转载 io多路复用

1 基础知识回顾

注意:我们下面说的都是Linux环境下,跟Windows不同哈~~~java

1.1 用户空间和内核空间

  如今操做系统都采用虚拟寻址,处理器先产生一个虚拟地址,经过地址翻译成物理地址(内存的地址),再经过总线的传递,最后处理器拿到某个物理地址返回的字节。python

  对32位操做系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操做系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,能够访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的全部权限。为了保证用户进程不能直接操做内核(kernel),保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操做系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。linux

补充:地址空间就是一个非负整数地址的有序集合。如{0,1,2...}。程序员

1.2 进程上下文切换(进程切换)

  为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程,并恢复之前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换(也叫调度)。所以能够说,任何进程都是在操做系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。web

  从一个进程的运行转到另外一个进程上运行,这个过程当中通过下面这些变化
  1. 保存当前进程A的上下文编程

  上下文就是内核再次唤醒当前进程时所须要的状态,由一些对象(程序计数器、状态寄存器、用户栈等各类内核数据结构)的值组成。缓存

  这些值包括描绘地址空间的页表、包含进程相关信息的进程表、文件表等。
  2. 切换页全局目录以安装一个新的地址空间安全

    ...
  3. 恢复进程B的上下文服务器

  能够理解成一个比较耗资源的过程。

1.3 进程的阻塞

  正在执行的进程,因为期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操做的完成、新数据还没有到达或无新工做作等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使本身由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也所以只有处于运行态的进程(得到CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的

1.4 文件描述符

  文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个用于表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,它是一个索引值,指向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者建立一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写每每会围绕着文件描述符展开。可是文件描述符这一律念每每只适用于UNIX、Linux这样的操做系统。

1.5 直接I/O和缓存I/O

  缓存 I/O 又被称做标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操做都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,以write为例,数据会先被拷贝进程缓冲区,在拷贝到操做系统内核的缓冲区中,而后才会写到存储设备中

缓存I/O的write:

直接I/O的write:(少了拷贝到进程缓冲区这一步)

 

write过程当中会有不少次拷贝,知道数据所有写到磁盘。好了,准备知识概略复习了一下,开始探讨IO模式。

 

2 I/O模式

  对于一次IO访问这回以read举例,数据会先被拷贝到操做系统内核的缓冲区中,而后才会从操做系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区,最后交给进程。因此说,当一个read操做发生时,它会经历两个阶段
  1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
  2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

正式由于这两个阶段,linux系统产生了下面五种网络模式的方案:
  -- 阻塞 I/O(blocking IO)
  -- 非阻塞 I/O(nonblocking IO)
  -- I/O 多路复用( IO multiplexing)
  -- 信号驱动 I/O( signal driven IO)
  -- 异步 I/O(asynchronous IO)

  注:因为signal driven IO在实际中并不经常使用,因此我这只说起剩下的四种IO 模型。

2.1 block I/O模型(阻塞I/O)

阻塞I/O模型示意图:

read为例:

(1)进程发起read,进行recvfrom系统调用;

(2)内核开始第一阶段,准备数据(从磁盘拷贝到缓冲区),进程请求的数据并非一下就能准备好;准备数据是要消耗时间的;

(3)与此同时,进程阻塞(进程是本身选择阻塞与否),等待数据ing;

(4)直到数据从内核拷贝到了用户空间,内核返回结果,进程解除阻塞。

也就是说,内核准备数据数据从内核拷贝到进程内存地址这两个过程都是阻塞的。

 

2.2 non-block(非阻塞I/O模型)

能够经过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操做时,流程是这个样子:

 

  (1)当用户进程发出read操做时,若是kernel中的数据尚未准备好;

  (2)那么它并不会block用户进程,而是马上返回一个error,从用户进程角度讲 ,它发起一个read操做后,并不须要等待,而是立刻就获得了一个结果;

  (3)用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据尚未准备好,因而它能够再次发送read操做。一旦kernel中的数据准备好了,而且又再次收到了用户进程的system call;

  (4)那么它立刻就将数据拷贝到了用户内存,而后返回。

  因此,nonblocking IO的特色是用户进程内核准备数据的阶段须要不断的主动询问数据好了没有

 

2.3 I/O多路复用

    I/O多路复用实际上就是用select, poll, epoll监听多个io对象,当io对象有变化(有数据)的时候就通知用户进程。好处就是单个进程能够处理多个socket。固然具体区别咱们后面再讨论,如今先来看下I/O多路复用的流程:

  (1)当用户进程调用了select,那么整个进程会被block;

      (2)而同时,kernel会“监视”全部select负责的socket;

  (3)当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回;

  (4)这个时候用户进程再调用read操做,将数据从kernel拷贝到用户进程。

  因此,I/O 多路复用的特色是经过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符,而这些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一个进入读就绪状态,select()函数就能够返回

  这个图和blocking IO的图其实并无太大的不一样,事实上,还更差一些。由于这里须要使用两个system call (select 和 recvfrom),而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。可是,用select的优点在于它能够同时处理多个connection。

  因此,若是处理的链接数不是很高的话,使用select/epoll的web server不必定比使用多线程 + 阻塞 IO的web server性能更好,可能延迟还更大。

  select/epoll的优点并非对于单个链接能处理得更快,而是在于能处理更多的链接。)

  在IO multiplexing Model中,实际中,对于每个socket,通常都设置成为non-blocking,可是,如上图所示,整个用户的process实际上是一直被block的。只不过process是被select这个函数block,而不是被socket IO给block。

 

 2.4 asynchronous I/O(异步 I/O)

  真正的异步I/O很牛逼,流程大概以下:

(1)用户进程发起read操做以后马上就能够开始去作其它的事

(2)而另外一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read以后,首先它会马上返回,因此不会对用户进程产生任何block。

(3)而后,kernel会等待数据准备完成,而后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成以后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操做完成了

 

2.5 小结

(1)blocking和non-blocking的区别

  调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操做完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的状况下会马上返回。

(2)synchronous IO和asynchronous IO的区别

  在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别以前,须要先给出二者的定义。POSIX的定义是这样子的:
    - A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
    - An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

  二者的区别就在于synchronous IO作”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义,以前所述的blocking IO,non-blocking IO,IO multiplexing都属于synchronous IO。

  有人会说,non-blocking IO并无被block啊。这里有个很是“狡猾”的地方,定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操做,就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候,若是kernel的数据没有准备好,这时候不会block进程。可是,当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中,这个时候进程是被block了,在这段时间内,进程是被block的。

  而asynchronous IO则不同,当进程发起IO 操做以后,就直接返回不再理睬了,直到kernel发送一个信号,告诉进程说IO完成。在这整个过程当中,进程彻底没有被block。

(3)non-blocking IO和asynchronous IO的区别

  能够发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别仍是很明显的。

  --在non-blocking IO中,虽然进程大部分时间都不会被block,可是它仍然要求进程去主动的check,而且当数据准备完成之后,也须要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存

  --而asynchronous IO则彻底不一样。它就像是用户进程将整个IO操做交给了他人(kernel)完成,而后他人作完后发信号通知。在此期间,用户进程不须要去检查IO操做的状态,也不须要主动的去拷贝数据。

 

3 事件驱动编程模型

3.1论事件驱动

  一般,咱们写 服务器处理模型的程序时,有如下几种模型
    (1)每收到一个请求,建立一个新的进程,来处理该请求;
    (2)每收到一个请求,建立一个新的线程,来处理该请求;
    (3)每收到一个请求,放入一个事件列表,让主进程经过非阻塞I/O方式来处理请求
  上面的几种方式,各有千秋:
    第(1)中方法,因为建立新的进程:实现比较简单,但开销比较大,致使服务器性能比较差。
    第(2)种方式,因为要涉及到线程的同步,有可能会面临死锁等问题。
    第(3)种方式,在写应用程序代码时,逻辑比前面两种都复杂。
  综合考虑各方面因素,通常广泛认为 第(3)种方式是大多数网络服务器采用的方式。
 

3.2 看图说话讲事件驱动模型

  在UI编程中,经常要对鼠标点击进行相应,首先如何得到鼠标点击呢?
  方式一:建立一个线程,该线程一直循环检测是否有鼠标点击,那么这个方式有如下几个缺点
    1. CPU资源浪费,可能鼠标点击的频率很是小,可是扫描线程仍是会一直循环检测,这会形成不少的CPU资源浪费;若是扫描鼠标点击的接口是阻塞的呢?
    2. 若是是堵塞的,又会出现下面这样的问题,若是咱们不但要扫描鼠标点击,还要扫描键盘是否按下,因为扫描鼠标时被堵塞了,那么可能永远不会去扫描键盘;
    3. 若是一个循环须要扫描的设备很是多,这又会引来响应时间的问题;
  因此,该方式是很是很差的。

方式二:就是事件驱动模型
  目前大部分的UI编程都是事件驱动模型,如不少UI平台都会提供onClick()事件,这个事件就表明鼠标按下事件。事件驱动模型大致思路以下:
    1. 有一个事件(消息)队列;
    2. 鼠标按下时,往这个队列中增长一个点击事件(消息);
    3. 有个循环,不断从队列取出事件,根据不一样的事件,调用不一样的函数,如onClick()、onKeyDown()等;
    4. 事件(消息)通常都各自保存各自的处理函数指针,这样,每一个消息都有独立的处理函数;

  事件驱动编程是一种网络编程范式,这里程序的执行流由外部事件来决定。它的特色是包含一个事件循环,当外部事件发生时使用回调机制来触发相应的处理。另外两种常见的编程范式是(单线程)同步以及多线程编程。

  让咱们用例子来比较和对比一下单线程、多线程以及事件驱动编程模型。下图展现了随着时间的推移,这三种模式下程序所作的工做。这个程序有3个任务须要完成,每一个任务都在等待I/O操做时阻塞自身。阻塞在I/O操做上所花费的时间已经用灰色框标示出来了。

  在单线程同步模型中,任务按照顺序执行。若是某个任务由于I/O而阻塞,其余全部的任务都必须等待,直到它完成以后它们才能依次执行。这种明确的执行顺序和串行化处理的行为是很容易推断得出的。若是任务之间并无互相依赖的关系,但仍然须要互相等待的话这就使得程序没必要要的下降了运行速度。

  在多线程版本中,这3个任务分别在独立的线程中执行。这些线程由操做系统来管理,在多处理器系统上能够并行处理,或者在单处理器系统上交错执行。这使得当某个线程阻塞在某个资源的同时其余线程得以继续执行。与完成相似功能的同步程序相比,这种方式更有效率,但程序员必须写代码来保护共享资源,防止其被多个线程同时访问。多线程程序更加难以推断,由于这类程序不得不经过线程同步机制如锁、可重入函数、线程局部存储或者其余机制来处理线程安全问题,若是实现不当就会致使出现微妙且使人痛不欲生的bug。

  在事件驱动版本的程序中,3个任务交错执行,但仍然在一个单独的线程控制中。当处理I/O或者其余昂贵的操做时,注册一个回调到事件循环中,而后当I/O操做完成时继续执行。回调描述了该如何处理某个事件。事件循环轮询全部的事件,当事件到来时将它们分配给等待处理事件的回调函数。这种方式让程序尽量的得以执行而不须要用到额外的线程。事件驱动型程序比多线程程序更容易推断出行为,由于程序员不须要关心线程安全问题。

当咱们面对以下的环境时,事件驱动模型一般是一个好的选择:

  1. 程序中有许多任务,并且…
  2. 任务之间高度独立(所以它们不须要互相通讯,或者等待彼此)并且…
  3. 在等待事件到来时,某些任务会阻塞。

  当应用程序须要在任务间共享可变的数据时,这也是一个不错的选择,由于这里不须要采用同步处理。

  网络应用程序一般都有上述这些特色,这使得它们可以很好的契合事件驱动编程模型。

 

4 select/poll/epoll的区别及其Python示例

4.1 select/poll/epoll的区别

  首先前文已述I/O多路复用的本质就是用select/poll/epoll,去监听多个socket对象,若是其中的socket对象有变化,只要有变化,用户进程就知道了。

  select是不断轮询去监听的socket,socket个数有限制,通常为1024个;

  poll仍是采用轮询方式监听,只不过没有个数限制;

  epoll并非采用轮询方式去监听了,而是当socket有变化时经过回调的方式主动告知用户进程。

4.2 Python select示例

  Python的select()方法直接调用操做系统的IO接口,它监控sockets,open files, and pipes(全部带fileno()方法的文件句柄)什么时候变成readable 和writeable, 或者通讯错误,select()使得同时监控多个链接变的简单,而且这比写一个长循环来等待和监控多客户端链接要高效,由于select直接经过操做系统提供的C的网络接口进行操做,而不是经过Python的解释器。

  注意:Using Python’s file objects with select() works for Unix, but is not supported under Windows.

  接下来经过echo server例子要以了解select 是如何经过单进程实现同时处理多个非阻塞的socket链接的:

复制代码
 1 import select
 2 import socket
 3 import sys
 4 import Queue
 5  
 6 # Create a TCP/IP socket
 7 server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 8 server.setblocking(0)
 9  
10 # Bind the socket to the port
11 server_address = ('localhost', 10000)
12 print >>sys.stderr, 'starting up on %s port %s' % server_address
13 server.bind(server_address)
14  
15 # Listen for incoming connections
16 server.listen(5)
复制代码

  select()方法接收并监控3个通讯列表, 第一个是全部的输入的data,就是指外部发过来的数据,第2个是监控和接收全部要发出去的data(outgoing data),第3个监控错误信息,接下来咱们须要建立2个列表来包含输入和输出信息来传给select().

1 # Sockets from which we expect to read
2 inputs = [ server ]
3 
4 # Sockets to which we expect to write
5 outputs = [ ] 

  全部客户端的进来的链接和数据将会被server的主循环程序放在上面的list中处理,咱们如今的server端须要等待链接可写(writable)以后才能过来,而后接收数据并返回(所以不是在接收到数据以后就马上返回),由于每一个链接要把输入或输出的数据先缓存到queue里,而后再由select取出来再发出去。

  Connections are added to and removed from these lists by the server main loop. Since this version of the server is going to wait for a socket to become writable before sending any data (instead of immediately sending the reply), each output connection needs a queue to act as a buffer for the data to be sent through it.

1 # Outgoing message queues (socket:Queue)
2 message_queues = {}

  The main portion of the server program loops, calling select() to block and wait for network activity.

  下面是此程序的主循环,调用select()时会阻塞和等待直到新的链接和数据进来:

1 while inputs:
2 
3     # Wait for at least one of the sockets to be ready for processing
4     print >>sys.stderr, '\nwaiting for the next event'
5     readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)

  当你把inputs,outputs,exceptional(这里跟inputs共用)传给select()后,它返回3个新的list,咱们上面将他们分别赋值为readable,writable,exceptional, 全部在readable list中的socket链接表明有数据可接收(recv),全部在writable list中的存放着你能够对其进行发送(send)操做的socket链接,当链接通讯出现error时会把error写到exceptional列表中。

  select() returns three new lists, containing subsets of the contents of the lists passed in. All of the sockets in the readable list have incoming data buffered and available to be read. All of the sockets in the writable list have free space in their buffer and can be written to. The sockets returned in exceptional have had an error (the actual definition of “exceptional condition” depends on the platform).

  Readable list 中的socket 能够有3种可能状态,第一种是若是这个socket是main "server" socket,它负责监听客户端的链接,若是这个main server socket出如今readable里,那表明这是server端已经ready来接收一个新的链接进来了,为了让这个main server能同时处理多个链接,在下面的代码里,咱们把这个main server的socket设置为非阻塞模式。

  The “readable” sockets represent three possible cases. If the socket is the main “server” socket, the one being used to listen for connections, then the “readable” condition means it is ready to accept another incoming connection. In addition to adding the new connection to the list of inputs to monitor, this section sets the client socket to not block.

复制代码
 1 # Handle inputs
 2 for s in readable:
 3  
 4     if s is server:
 5         # A "readable" server socket is ready to accept a connection
 6         connection, client_address = s.accept()
 7         print >>sys.stderr, 'new connection from', client_address
 8         connection.setblocking(0)
 9         inputs.append(connection)
10  
11         # Give the connection a queue for data we want to send
12         message_queues[connection] = Queue.Queue()
复制代码

  第二种状况是这个socket是已经创建了的链接,它把数据发了过来,这个时候你就能够经过recv()来接收它发过来的数据,而后把接收到的数据放到queue里,这样你就能够把接收到的数据再传回给客户端了。

  The next case is an established connection with a client that has sent data. The data is read with recv(), then placed on the queue so it can be sent through the socket and back to the client.

复制代码
1 else:
2      data = s.recv(1024)
3      if data:
4          # A readable client socket has data
5          print >>sys.stderr, 'received "%s" from %s' % (data, s.getpeername())
6          message_queues[s].put(data)
7          # Add output channel for response
8          if s not in outputs:
9              outputs.append(s)
复制代码

  第三种状况就是这个客户端已经断开了,因此你再经过recv()接收到的数据就为空了,因此这个时候你就能够把这个跟客户端的链接关闭了。

  A readable socket without data available is from a client that has disconnected, and the stream is ready to be closed.

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 1 else:
 2     # Interpret empty result as closed connection
 3     print >>sys.stderr, 'closing', client_address, 'after reading no data'
 4     # Stop listening for input on the connection
 5     if s in outputs:
 6         outputs.remove(s)  #既然客户端都断开了,我就不用再给它返回数据了,因此这时候若是这个客户端的链接对象还在outputs列表中,就把它删掉
 7     inputs.remove(s)    #inputs中也删除掉
 8     s.close()           #把这个链接关闭掉
 9  
10     # Remove message queue
11     del message_queues[s]
复制代码

  对于writable list中的socket,也有几种状态,若是这个客户端链接在跟它对应的queue里有数据,就把这个数据取出来再发回给这个客户端,不然就把这个链接从output list中移除,这样下一次循环select()调用时检测到outputs list中没有这个链接,那就会认为这个链接还处于非活动状态

  There are fewer cases for the writable connections. If there is data in the queue for a connection, the next message is sent. Otherwise, the connection is removed from the list of output connections so that the next time through the loop select() does not indicate that the socket is ready to send data.

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 1 # Handle outputs
 2 for s in writable:
 3     try:
 4         next_msg = message_queues[s].get_nowait()
 5     except Queue.Empty:
 6         # No messages waiting so stop checking for writability.
 7         print >>sys.stderr, 'output queue for', s.getpeername(), 'is empty'
 8         outputs.remove(s)
 9     else:
10         print >>sys.stderr, 'sending "%s" to %s' % (next_msg, s.getpeername())
11         s.send(next_msg)
复制代码

  最后,若是在跟某个socket链接通讯过程当中出了错误,就把这个链接对象在inputs\outputs\message_queue中都删除,再把链接关闭掉。

复制代码
 1 # Handle "exceptional conditions"
 2 for s in exceptional:
 3     print >>sys.stderr, 'handling exceptional condition for', s.getpeername()
 4     # Stop listening for input on the connection
 5     inputs.remove(s)
 6     if s in outputs:
 7         outputs.remove(s)
 8     s.close()
 9  
10     # Remove message queue
11     del message_queues[s]
复制代码

4.3 完整的server端和client端示例

  这里实现了一个server,其功能就是能够和多个client创建链接,每一个client的发过来的数据加上一个response字符串返回给client端~~~

server端:

复制代码
 1 #! /usr/bin/env python3
 2 # -*- coding:utf-8 -*-
 3 import socket
 4 import select
 5 
 6 sk = socket.socket()
 7 sk.bind(('127.0.0.1', 9000),)
 8 sk.listen(5)
 9 
10 inputs = [sk, ]
11 outputs = []
12 message = {}  # 实现读写分离
13 print("start...")
14 
15 while True:
16     # 监听的inputs中的socket对象内部若是有变化,那么这个对象就会在rlist
17     # outputs里有什么对象,wlist中就有什么对象
18     # []若是这里的对象内部出错,那会把这些对象加到elist中
19     # 1 是超时时间
20     rlist, wlist, elist = select.select(inputs, outputs, [], 1)
21     print(len(inputs), len(outputs))
22 
23     for r in rlist:
24         if r == sk:
25             conn, addr = sk.accept()
26             conn.sendall(b"ok")
27             # 这里记住是吧conn添加到inputs中去监听,千万别写成r了
28             inputs.append(conn)
29             message[conn] = []
30         else:
31             try:
32                 data = r.recv(1024)
33                 print(data)
34                 if not data:
35                     raise Exception('链接断开')
36                 message[r].append(data)
37                 outputs.append(r)
38             except Exception as e:
39                 inputs.remove(r)
40                 del message[r]
41 
42     for r in wlist:
43         data = str(message[r].pop(), encoding='utf-8')
44         res = data + "response"
45         r.sendall(bytes(res, encoding='utf-8'))
46         outputs.remove(r)
47 # 实现读写分离
48 # IO多路复用的本质是用select、poll、epoll(系统底层提供的)来监听socket对象内部是否有变化
49 # select 是在Win和Linux中都支持额,至关于系统内部维护了一个for循环,缺点是监听个数有上限(1024),效率不高
50 # poll的监听个数没有限制,但仍然用循环,效率不高。
51 # epoll的机制是socket对象变化,主动告诉epoll。而不是轮询,至关于有个回调函数,效率比前二者高
52 # Nginx就是用epoll。只要IO操做都支持,除开文件操做
53 
54 # 列表删除指定元素用remove
复制代码

client端:

复制代码
 1 #! /usr/bin/env python3
 2 # -*- coding:utf-8 -*-
 3 
 4 import socket
 5 
 6 
 7 sc = socket.socket()
 8 sc.connect(("127.0.0.1", 9000,))
 9 
10 
11 data = sc.recv(1024)
12 print(data)
13 while True:
14     msg = input(">>>:")
15     if msg == 'q':
16         break
17     if len(msg) == 0:
18         continue
19 
20     send_msg = bytes(msg, encoding="utf-8")
21     sc.send(send_msg)
22     res = sc.recv(1024)
23     print(str(res, encoding="utf-8"))
24 sc.close()
复制代码

  终于写完了~~~

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