Socket是什么你了解不？

Posted 2021-04-25 SpringForAll社区

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Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

缓存I/O

I/O 模型

• 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
• 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 有五种 I/O 模型：

• 阻塞式 I/O
• 非阻塞式 I/O
• I/O 复用（select 和 poll）
• 信号驱动式 I/O（SIGIO）
• 异步 I/O（AIO）

阻塞式I/O

应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，所以不消耗 CPU 时间，这种模型的 CPU 利用率效率会比较高。

下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

非阻塞I/O

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，它可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型的 CPU 利用率是比较低的。

I/O多路复用

IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO(事件驱动IO)。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。

信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。

异步 I/O

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。

五大 I/O 模型比较

• 同步 I/O：将数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区的阶段，应用进程会阻塞。
• 异步 I/O：不会阻塞。

阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，它们的主要区别在第一个阶段。

非阻塞式 I/O 、信号驱动 I/O 和异步 I/O 在第一阶段不会阻塞。

I/O复用

I/O多路复用的优势并不是对于单个连接能处理的更快，而是在于可以在单个线程/进程中处理更多的连接。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。

select是不断轮询去监听的socket，socket个数有限制，一般为1024个；

poll还是采用轮询方式监听，只不过没有个数限制；

epoll并不是采用轮询方式去监听了，而是当socket有变化时通过回调的方式主动告知用户进程。

参考

Socket.md

Linux IO模式及 select、poll、epoll详解

进程切换

IO多路复用

漫谈五种IO模型（主讲IO多路复用）

IO模式和IO多路复用

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