幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

ChinaUnix博主| andersonyan
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之前有看到用很幽默的方式讲解Windows的socket IO模型，借用这个故事，讲解下linux的socket IO模型；

老陈有一个在外地工作的女儿，不能经常回来，老陈和她通过信件联系。

他们的信会被邮递员投递到他们小区门口的收发室里。这和Socket模型非常类似。

下面就以老陈接收信件为例讲解linux的 Socket I/O模型。

同步阻塞模型

老陈的女儿第一次去外地工作，送走她之后，老陈非常的挂心她安全到达没有；

于是老陈什么也不干，一直在小区门口收发室里等着她女儿的报平安的信到；

这就是linux的同步阻塞模式；

在这个模式中，用户空间的应用程序执行一个系统调用，并阻塞，直到系统调用完成为止(数据传输完成或发生错误)。

Socket设置为阻塞模式，当socket不能立即完成I/O操作时，进程或线程进入等待状态，直到操作完成。

如图1所示：
幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)

/*
 * \brief
 * tcp client
 */


#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define SERVPORT 8080
#define MAXDATASIZE 100


int main(int argc, char *argv[])
{
  int sockfd, recvbytes;
  char rcv_buf[MAXDATASIZE]; /*./client 127.0.0.1 hello */
  char snd_buf[MAXDATASIZE];
  struct hostent *host;             /* struct hostent
                                     * {
                                     * char *h_name; // general hostname
                                     * char **h_aliases; // hostname's alias
                                     * int h_addrtype; // AF_INET
                                     * int h_length; 
                                     * char **h_addr_list;
                                     * };
                                     */
  struct sockaddr_in server_addr;


  if (argc < 3)
  {
    printf("Usage:%s [ip address] [any string]\n", argv[0]);
    return 1;
  }


  *snd_buf = '\0';
  strcat(snd_buf, argv[2]);


  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
  {
    perror("socket:");
    exit(1);
  }


  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
  inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);
  memset(&(server_addr.sin_zero), 0, 8);


  /* create the connection by socket 
   * means that connect "sockfd" to "server_addr"
   * 同步阻塞模式 
   */
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
  {
    perror("connect");
    exit(1);
  }


  /* 同步阻塞模式  */
  if (send(sockfd, snd_buf, sizeof(snd_buf), 0) == -1)
  {
    perror("send:");
    exit(1);
  }
  printf("send:%s\n", snd_buf);


   /* 同步阻塞模式  */
  if ((recvbytes = recv(sockfd, rcv_buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1)
  {
    perror("recv:");
    exit(1);
  }


  rcv_buf[recvbytes] = '\0';
  printf("recv:%s\n", rcv_buf);


  close(sockfd);
  return 0;
}

显然，代码中的connect, send, recv都是同步阻塞工作模式， 在结果没有返回时，程序什么也不做。

这种模型非常经典，也被广泛使用。

优势在于非常简单，等待的过程中占用的系统资源微乎其微，程序调用返回时，必定可以拿到数据；

但简单也带来一些缺点，程序在数据到来并准备好以前，不能进行其他操作，需要有一个线程专门用于等待，这种代价对于需要处理大量连接的服务器而言，是很难接受的。

同步非阻塞模型

收到平安信后，老陈稍稍放心了，就不再一直在收发室前等信；

而是每隔一段时间就去收发室检查信箱；

这样，老陈也能在间隔时间内休息一会，或喝杯荼，看会电视，做点别的事情；

这就是同步非阻塞模型；

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。

在这种模型中，系统调用是以非阻塞的形式打开的。
这意味着 I/O 操作不会立即完成， 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。

这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。

因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

如图2所示：
幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)

/*
 * \brief
 * tcp client
 */


#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVPORT 8080
#define MAXDATASIZE 100

int main(int argc, char *argv[])
{
  int sockfd, recvbytes;
  char rcv_buf[MAXDATASIZE]; /*./client 127.0.0.1 hello */
  char snd_buf[MAXDATASIZE];
  struct hostent *host;             /* struct hostent
                                     * {
                                     * char *h_name; // general hostname
                                     * char **h_aliases; // hostname's alias
                                     * int h_addrtype; // AF_INET
                                     * int h_length; 
                                     * char **h_addr_list;
                                     * };
                                     */
  struct sockaddr_in server_addr;
  int flags;
  int addr_len;


  if (argc < 3)
  {
    printf("Usage:%s [ip address] [any string]\n", argv[0]);
    return 1;
  }


  *snd_buf = '\0';
  strcat(snd_buf, argv[2]);


  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
  {
    perror("socket:");
    exit(1);
  }


  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
  inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);
  memset(&(server_addr.sin_zero), 0, 8);
  addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);


  /* Setting socket to nonblock */
  flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
  fcntl(sockfd, flags|O_NONBLOCK);


  /* create the connection by socket 
   * means that connect "sockfd" to "server_addr"
   * 同步阻塞模式  
  */
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
  {
    perror("connect");
    exit(1);
  }


  /* 同步非阻塞模式 */
  while (send(sockfd, snd_buf, sizeof(snd_buf), MSG_DONTWAIT) == -1)
  {
    sleep(10);
    printf("sleep\n");
  }
  printf("send:%s\n", snd_buf);

  /* 同步非阻塞模式 */
  while ((recvbytes = recv(sockfd, rcv_buf, MAXDATASIZE, MSG_DONTWAIT)) == -1)
  {
    sleep(10);
    printf("sleep\n");
  }


  rcv_buf[recvbytes] = '\0';
  printf("recv:%s\n", rcv_buf);


  close(sockfd);
  return 0;
}

这种模式在没有数据可以接收时，可以进行其他的一些操作，比如有多个socket时，可以去查看其他socket有没有可以接收的数据；

实际应用中，这种I/O模型的直接使用并不常见，因为它需要不停的查询，而这些查询大部分会是无必要的调用，白白浪费了系统资源；

非阻塞I/O应该算是一个铺垫，为I/O复用和信号驱动奠定了非阻塞使用的基础。

我们可以使用 fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

将套接字标志变成非阻塞，调用recv，如果设备暂时没有数据可读就返回-1，同时置errno为EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，这两个宏定义的值相同），表示本来应该阻塞在这里（would block，虚拟语气），事实上并没有阻塞而是直接返回错误，调用者应该试着再读一次（again）。

这种行为方式称为轮询（Poll），调用者只是查询一下，而不是阻塞在这里死等，这样可以同时监视多个设备：

while(1)
{
非阻塞read(设备1);
if(设备1有数据到达)
处理数据;
非阻塞read(设备2);
if(设备2有数据到达)
处理数据;
…………………………
}

如果read(设备1)是阻塞的，那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read调用上，即使设备2有数据到达也不能处理，使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。

非阻塞I/O有一个缺点，如果所有设备都一直没有数据到达，调用者需要反复查询做无用功，如果阻塞在那里，
操作系统可以调度别的进程执行，就不会做无用功了，在实际应用中非阻塞I/O模型比较少用

I/O 复用(异步阻塞)模式

频繁地去收发室对老陈来说太累了，在间隔的时间内能做的事也很少，而且取到信的效率也很低.

于是，老陈向小区物业提了建议；

小区物业改进了他们的信箱系统：
住户先向小区物业注册，之后小区物业会在已注册的住户的家中添加一个提醒装置，每当有注册住房的新的信件来临，此装置会发出 “新信件到达”声，提醒老陈去看是不是自己的信到了。

这就是异步阻塞模型；

在这种模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。
使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。

对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知 I/O复用模型能让一个或多个socket可读或可写准备好时，应用能被通知到；

I/O复用模型早期用select实现，它的工作流程如下图：

幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)

用select来管理多个I/O，当没有数据时select阻塞，如果在超时时间内数据到来则select返回，再调用recv进行数据的复制，recv返回后处理数据。

下面的C语言实现的例子，它从网络上接受数据写入一个文件中:

/*
 * \brief
 * tcp client
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#define SERVPORT 8080
#define MAXDATASIZE 100
#define TFILE "data_from_socket.txt"

int main(int argc, char *argv[])
{
  int sockfd, recvbytes;
  char rcv_buf[MAXDATASIZE]; /*./client 127.0.0.1 hello */
  char snd_buf[MAXDATASIZE];
  struct hostent *host;             /* struct hostent
                                     * {
                                     * char *h_name; // general hostname
                                     * char **h_aliases; // hostname's alias
                                     * int h_addrtype; // AF_INET
                                     * int h_length; 
                                     * char **h_addr_list;
                                     * };
                                     */
  struct sockaddr_in server_addr;

  /* */
  fd_set readset, writeset;
  int check_timeval = 1;
  struct timeval timeout={check_timeval,0}; //阻塞式select, 等待1秒，1秒轮询
  int maxfd;
  int fp;
  int cir_count = 0;
  int ret;

  if (argc < 3)
  {
    printf("Usage:%s [ip address] [any string]\n", argv[0]);
    return 1;
  }

  *snd_buf = '\0';
  strcat(snd_buf, argv[2]);

  if ((fp = open(TFILE,O_WRONLY)) < 0)    //不是用fopen
  {
    perror("fopen:");
    exit(1);
  }

  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
  {
    perror("socket:");
    exit(1);
  }

  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
  inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);
  memset(&(server_addr.sin_zero), 0, 8);


  /* create the connection by socket 
   * means that connect "sockfd" to "server_addr"
   */
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
  {
    perror("connect");
    exit(1);
  }

  /**/
  if (send(sockfd, snd_buf, sizeof(snd_buf), 0) == -1)
  {
    perror("send:");
    exit(1);
  }
  printf("send:%s\n", snd_buf);

  while (1)
  {
    FD_ZERO(&readset);            //每次循环都要清空集合，否则不能检测描述符变化
    FD_SET(sockfd, &readset);     //添加描述符       
    FD_ZERO(&writeset);
    FD_SET(fp,     &writeset);


    maxfd = sockfd > fp ? (sockfd+1) : (fp+1);    //描述符最大值加1


    ret = select(maxfd, &readset, NULL, NULL, NULL);   // 阻塞模式
    switch( ret)
    {
      case -1:
        exit(-1);
        break;
      case 0:
        break;
      default:
        if (FD_ISSET(sockfd, &readset))  //测试sock是否可读，即是否网络上有数据
        {
          recvbytes = recv(sockfd, rcv_buf, MAXDATASIZE, MSG_DONTWAIT);
          rcv_buf[recvbytes] = '\0';
          printf("recv:%s\n", rcv_buf);


          if (FD_ISSET(fp, &writeset))
          {
            write(fp, rcv_buf, strlen(rcv_buf));   // 不是用fwrite
          }
          goto end;
        }
    }
    cir_count++;
    printf("CNT : %d \n",cir_count);
  }


end:
  close(fp);
  close(sockfd);
  return 0;
}

perl实现:

#! /usr/bin/perl
###############################################################################
# \File
#  tcp_client.pl
# \Descript
#  send message to server
###############################################################################
use IO::Socket;
use IO::Select;


#hash to install IP Port
%srv_info =(
#"srv_ip"  => "61.184.93.197",
      "srv_ip"  => "192.168.1.73",
      "srv_port"=> "8080",
      );

my $srv_addr = $srv_info{"srv_ip"};
my $srv_port = $srv_info{"srv_port"};

my $sock = IO::Socket::INET->new(
      PeerAddr => "$srv_addr",
      PeerPort => "$srv_port",
      Type     => SOCK_STREAM,
      Blocking => 1,
#     Timeout  => 5,
      Proto    => "tcp")
or die "Can not create socket connect. $@";

$sock->send("Hello server!\n", 0) or warn "send failed: $!, $@";
$sock->autoflush(1);

my $sel = IO::Select->new($sock);
while(my @ready = $sel->can_read)
{
  foreach my $fh(@ready)
  {
    if($fh == $sock)
    {
      while()
      {
        print $_;
      }
      $sel->remove($fh);
      close $fh;
    }
  }
}
$sock->close();

信号驱动 I/O 模型

老陈接收到新的信件后，一般的程序是：

打开信封—-掏出信纸 —-阅读信件—-回复信件 ……

为了进一步减轻用户负担，小区物业又开发了一种新的技术：

住户只要告诉小区物业对信件的操作步骤，小区物业信箱将按照这些步骤去处理信件，不再需要用户亲自拆信 /阅读/回复了！

这就是信号驱动I/O模型

我们也可以用信号，让内核在描述字就绪时发送SIGIO信号通知我们。

首先开启套接口的信号驱动 I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。

该系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说没被阻塞。

当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号，我们随后既可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。

幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)


无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达期间，进程不被阻塞，主循环可以继续执行，只要不时地等待来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。


这一次，只为你而来！
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以上是关于幽默讲解 linux 的 Socket IO 模型(上)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

学习socket.io前的网络基础知识准备（白话讲解）

Linux-socket 模型理解

五种IO模型详解

linux基础编程：IO模型：阻塞/非阻塞/IO复用 同步/异步 Select/Epoll/AIO（转载）

IO阻塞模型 非阻塞模型

java 零拷贝详细讲解