剖析Python的Twisted框架的核心特性

一. reactor
twisted的核心是reactor，而提到reactor不可避免的是同步/异步，阻塞/非阻塞，在Dave的第一章概念性介绍中，对同步/异步的界限有点模糊，关于同步/异步，阻塞/非阻塞可参见知乎讨论。而关于proactor(主动器)和reactor(反应堆)，这里有一篇推荐博客有比较详细的介绍。
就reactor模式的网络IO而言，应该是同步IO而不是异步IO。而Dave第一章中提到的异步，核心在于：显式地放弃对任务的控制权而不是被操作系统随机地停止，程序员必须将任务组织成序列来交替的小步完成。因此，若其中一个任务用到另外一个任务的输出，则依赖的任务（即接收输出的任务）需要被设计成为要接收系列比特或分片而不是一下全部接收。
显式主动地放弃任务的控制权有点类似协程的思考方式，reactor可看作协程的调度器。reactor是一个事件循环，我们可以向reactor注册自己感兴趣的事件(如套接字可读/可写)和处理器(如执行读写操作)，reactor会在事件发生时回调我们的处理器，处理器执行完成之后，相当于协程挂起(yield)，回到reactor的事件循环中，等待下一个事件来临并回调。reactor本身有一个同步事件多路分解器(Synchronous Event Demultiplexer)，可用select/epoll等机制实现，当然twisted reactor的事件触发不一定是基于IO，也可以由定时器等其它机制触发。
twisted的reactor无需我们主动注册事件和回调函数，而是通过多态(继承特定类，并实现所关心的事件接口，然后传给twisted reactor)来实现。关于twisted的reactor，有几个需要注意的地方：
twisted.internet.reactor是单例模式，每个程序只能有一个reactor；
尽量在reactor回调函数尽快完成操作，不要执行阻塞任务，reactor本质是单线程，用户回调代码与twisted代码运行在同一个上下文，某个回调函数中阻塞，会导致reactor整个事件循环阻塞；
reactor会一直运行，除非通过reactor.stop()显示停止它，但一般调用reactor.stop()，也就意味着应用程序结束；

二. twisted简单使用
twisted的本质是reactor，我们可以使用twisted的底层API(避开twisted便利的高层抽象)来使用reactor:

    # 示例一 twisted底层API的使用
    from twisted.internet import reacto
    from twisted.internet import main
    from twisted.internet.interfaces import IReadDescriptor
    import socket

    class MySocket(IReadDescriptor):
      def __init__(self, address):
        # 连接服务器
        self.address = address
        self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        self.sock.connect(address)
        self.sock.setblocking(0)

        # tell the Twisted reactor to monitor this socket for reading
        reactor.addReader(self)

     # 接口: 告诉reactor 监听的套接字描述符
      def fileno(self):
        try:
          return self.sock.fileno()
        except socket.error:
          return -1

     # 接口: 在连接断开时的回调
      def connectionLost(self, reason):
        self.sock.close()

        reactor.removeReader(self)

     # 当应用程序需要终止时 调用:
        # reactor.stop()

     # 接口: 当套接字描述符有数据可读时
      def doRead(self):
        bytes = ''

     # 尽可能多的读取数据
        while True:
          try:
            bytesread = self.sock.recv(1024)
            if not bytesread:
              break
            else:
              bytes += bytesread
          except socket.error, e:
            if e.args[0] == errno.EWOULDBLOCK:
              break
            return main.CONNECTION_LOST

        if not bytes: 
          return main.CONNECTION_DONE
        else:
          # 在这里解析协议并处理数据
          print bytes

示例一可以很清晰的看到twisted的reactor本质：添加监听描述符，监听可读/可写事件，当事件来临时回调函数，回调完成之后继续监听事件。
需要注意：
套接字为非阻塞，如果为阻塞则失去了reactor的意义
我们通过继承IReadDescriptor来提供reactor所需要的接口
通过reactor.addReader将套接字类加入reactor的监听对象中
main.CONNECTION_LOST是twisted预定义的值，通过这些值它我们可以一定程度控制下一步回调(类似于模拟一个事件)
但是上面的MySocket类不够好，主要有以下缺点：
需要我们自己去读取数据，而不是框架帮我们读好，并处理异常
网络IO和数据处理混为一块，没有剥离开来

三. twisted抽象
twisted在reactor的基础上，建立了更高的抽象，对一个网络连接而言，twisted建立了如下三个概念:
Transports：网络连接层，仅负责网络连接和读/写字节数据
Protocols： 协议层，服务业务相关的网络协议，将字节流转换成应用所需数据
Protocol Factories：协议工厂，负责创建Protocols，每个网络连接都有一个Protocols对象(因为要保存协议解析状态)
twisted的这些概念和erlang中的ranch网络框架很像，ranch框架也抽象了Transports和Protocols概念，在有新的网络连接时，ranch自动创建Transports和Protocols，其中Protocols由用户在启动ranch时传入，是一个实现了ranch_protocol behaviour的模块，Protocols初始化时，会收到该连接对应的Transports，如此我们可以在Protocols中处理字节流数据，按照我们的协议解析并处理数据。同时可通过Transports来发送数据(ranch已经帮你读取了字节流数据了)。
和ranch类似，twisted也会在新连接到达时创建Protocols并且将Transport传入，twisted会帮我们读取字节流数据，我们只需在dataReceived(self, data)接口中处理字节流数据即可。此时的twisted在网络IO上可以算是真正的异步了，它帮我们处理了网络IO和可能遇到的异常，并且将网络IO和数据处理剥离开来，抽象为Transports和Protocols，提高了程序的清晰性和健壮性。

    # 示例二 twisted抽象的使用
    from twisted.internet import reactor
    from twisted.internet.protocol import Protocol, ClientFactory
    class MyProtocol(Protocol):

     # 接口: Protocols初始化时调用，并传入Transports
     # 另外 twisted会自动将Protocols的factory对象成员设为ProtocolsFactory实例的引用
     #   如此就可以通过factory来与MyProtocolFactory交互
     def makeConnection(self,trans):
        print 'make connection: get transport: ', trans
        print 'my factory is: ', self.factory

     # 接口: 有数据到达
      def dataReceived(self, data):
        self.poem += data
        msg = 'Task %d: got %d bytes of poetry from %s'
        print msg % (self.task_num, len(data), self.transport.getPeer())

     # 接口: 连接断开
      def connectionLost(self, reason):
        # 连接断开的处理


    class MyProtocolFactory(ClientFactory):

     # 接口: 通过protocol类成员指出需要创建的Protocols
      protocol = PoetryProtocol # tell base class what proto to build

      def __init__(self, address):
        self.poetry_count = poetry_count
        self.poems = {} # task num -> poem

     # 接口: 在创建Protocols的回调
      def buildProtocol(self, address):
        proto = ClientFactory.buildProtocol(self, address)
        # 在这里对proto做一些初始化....
        return proto

     # 接口: 连接Server失败时的回调
      def clientConnectionFailed(self, connector, reason):
        print 'Failed to connect to:', connector.getDestination()

    def main(address):
     factory = MyClientFactory(address)
      host, port = address
      # 连接服务端时传入ProtocolsFactory
      reactor.connectTCP(host, port, factory) 
      reactor.run()

示例二要比示例一要简单清晰很多，因为它无需处理网络IO，并且逻辑上更为清晰，实际上ClientFactory和Protocol提供了更多的接口用于实现更灵活强大的逻辑控制，具体的接口可参见twisted源代码。

四. twisted Deferred
twisted Deferred对象用于解决这样的问题：有时候我们需要在ProtocolsFactory中嵌入自己的回调，以便Protocols中发生某个事件(如所有Protocols都处理完成)时，回调我们指定的函数(如TaskFinished)。如果我们自己来实现回调，需要处理几个问题:
如何区分回调的正确返回和错误返回?(我们在使用异步调用时，要尤其注意错误返回的重要性)
如果我们的正确返回和错误返回都需要执行一个公共函数(如关闭连接)呢?
如果保证该回调只被调用一次?
Deferred对象便用于解决这种问题，它提供两个回调链，分别对应于正确返回和错误返回，在正确返回或错误返回时，它会依次调用对应链中的函数，并且保证回调的唯一性。

    d = Deferred()
    # 添加正确回调和错误回调
    d.addCallbacks(your_ok_callback, your_err_callback)
    # 添加公共回调函数
    d.addBoth(your_common_callback)

    # 正确返回 将依次调用 your_ok_callback(Res) -> common_callback(Res)
    d.callback(Res)
    # 错误返回 将依次调用 your_err_callback(Err) -> common_callback(Err)
    d.errback(Err)

    # 注意，对同一个Defered对象，只能返回一次，尝试多次返回将会报错

twisted的defer是异步的一种变现方式，可以这么理解，他和thread的区别是，他是基于时间event的。
有了deferred，即可对任务的执行进行管理控制。防止程序的运行，由于等待某项任务的完成而陷入阻塞停滞，提高整体运行的效率。
Deferred能帮助你编写异步代码，但并不是为自动生成异步或无阻塞的代码！要想将一个同步函数编程异步函数，必须在函数中返回Deferred并正确注册回调。

五.综合示例

下面的例子，你们自己跑跑，我上面说的都是一些个零散的例子，大家对照下面完整的，走一遍。 twisted理解其实却是有点麻烦，大家只要知道他是基于事件的后，慢慢理解就行了。

    #coding:utf-8
    #xiaorui.cc
    from twisted.internet import reactor, defer
    from twisted.internet.threads import deferToThread
    import os,sys
    from twisted.python import threadable; threadable.init(1)
    deferred =deferToThread.__get__
    import time
    def todoprint_(result):
      print result
    def running():
      "Prints a few dots on stdout while the reactor is running."
    #   sys.stdout.write("."); sys.stdout.flush()
      print '.'
      reactor.callLater(.1, running)
    @deferred
    def sleep(sec):
      "A blocking function magically converted in a non-blocking one."
      print 'start sleep %s'%sec
      time.sleep(sec)
      print '\nend sleep %s'%sec
      return "ok"
    def test(n,m):
      print "fun test() is start"
      m=m
      vals = []
      keys = []
      for i in xrange(m):
        vals.append(i)
        keys.append('a%s'%i)
      d = None
      for i in xrange(n):
        d = dict(zip(keys, vals))
      print "fun test() is end"
      return d
    if __name__== "__main__":
    #one
      sleep(10).addBoth(todoprint_)
      reactor.callLater(.1, running)
      reactor.callLater(3, reactor.stop)
      print "go go !!!"
      reactor.run()
    #two
      aa=time.time()
      de = defer.Deferred()
      de.addCallback(test)
      reactor.callInThread(de.callback,10000000,100 )
      print time.time()-aa
      print "我这里先做别的事情"
      print de
      print "go go end"