多執行緒 執行緒池 sock IO複用
阿新 • • 發佈：2019-02-20
前言
之前有看到用很幽默的方式講解Windows的socket IO模型，
借用這個故事，講解下linux的socket IO模型；
老陳有一個在外地工作的女兒，不能經常回來，老陳和她通過信件聯絡。
他們的信會被郵遞員投遞到他們小區門口的收發室裡。這和Socket模型非常類似。
下面就以老陳接收信件為例講解linux的 Socket I/O模型。
一、同步阻塞模型
老陳的女兒第一次去外地工作，送走她之後，老陳非常的掛心她安全到達沒有；
於是老陳什麼也不幹，一直在小區門口收發室裡等著她女兒的報平安的信到；
這就是linux的同步阻塞模式；
在這個模式中，使用者空間的應用程式執行一個系統呼叫，並阻塞，
直到系統呼叫完成為止(資料傳輸完成或發生錯誤)。
Socket設定為阻塞模式，當socket不能立即完成I/O操作時，程序或執行緒進入等待狀態，直到操作完成。
如圖1所示：
/*
* \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;
}
顯然，程式碼中的connect, send, recv都是同步阻塞工作模式，
在結果沒有返回時，程式什麼也不做。
這種模型非常經典，也被廣泛使用。
優勢在於非常簡單，等待的過程中佔用的系統資源微乎其微，程式呼叫返回時，必定可以拿到資料；
但簡單也帶來一些缺點，程式在資料到來並準備好以前，不能進行其他操作，
需要有一個執行緒專門用於等待，這種代價對於需要處理大量連線的伺服器而言，是很難接受的。
二、同步非阻塞模型
收到平安信後，老陳稍稍放心了，就不再一直在收發室前等信；
而是每隔一段時間就去收發室檢查信箱；
這樣，老陳也能在間隔時間內休息一會，或喝杯荼，看會電視，做點別的事情；
這就是同步非阻塞模型；
同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。
在這種模型中，系統呼叫是以非阻塞的形式開啟的。
這意味著 I/O 操作不會立即完成， 操作可能會返回一個錯誤程式碼，
說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），
非阻塞的實現是 I/O 命令可能並不會立即滿足，需要應用程式呼叫許多次來等待操作完成。
這可能效率不高，
因為在很多情況下，當核心執行這個命令時，應用程式必須要進行忙碌等待，直到資料可用為止，或者試圖執行其他工作。
因為資料在核心中變為可用到使用者呼叫 read 返回資料之間存在一定的間隔，這會導致整體資料吞吐量的降低。
如圖2所示：
/*
* \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;
}
這種模式在沒有資料可以接收時，可以進行其他的一些操作，
比如有多個socket時，可以去檢視其他socket有沒有可以接收的資料；
實際應用中，這種I/O模型的直接使用並不常見，因為它需要不停的查詢，
而這些查詢大部分會是無必要的呼叫，白白浪費了系統資源；
非阻塞I/O應該算是一個鋪墊，為I/O複用和訊號驅動奠定了非阻塞使用的基礎。
我們可以使用 fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
將套接字標誌變成非阻塞，呼叫recv，
如果裝置暫時沒有資料可讀就返回-1，同時置errno為EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，這兩個巨集定義的值相同），
表示本來應該阻塞在這裡（would block，虛擬語氣），事實上並沒有阻塞而是直接返回錯誤，呼叫者應該試著再讀一次（again）。
這種行為方式稱為輪詢（Poll），呼叫者只是查詢一下，而不是阻塞在這裡死等，這樣可以同時監視多個裝置：
while(1)
{
非阻塞read(裝置1);
if(裝置1有資料到達)
處理資料;
非阻塞read(裝置2);
if(裝置2有資料到達)
處理資料;
..............................
}
如果read(裝置1)是阻塞的，那麼只要裝置1沒有資料到達就會一直阻塞在裝置1的read呼叫上，
即使裝置2有資料到達也不能處理，使用非阻塞I/O就可以避免裝置2得不到及時處理。
非阻塞I/O有一個缺點，如果所有裝置都一直沒有資料到達，呼叫者需要反覆查詢做無用功，如果阻塞在那裡，
作業系統可以排程別的程序執行，就不會做無用功了，在實際應用中非阻塞I/O模型比較少用
三、I/O複用(非同步阻塞)模式
頻繁地去收發室對老陳來說太累了，在間隔的時間內能做的事也很少，而且取到信的效率也很低.
於是，老陳向小區物業提了建議；
小區物業改進了他們的信箱系統：
住戶先向小區物業註冊，之後小區物業會在已註冊的住戶的家中新增一個提醒裝置，
每當有註冊住房的新的信件來臨，此裝置會發出 "新信件到達"聲，
提醒老陳去看是不是自己的信到了。
這就是非同步阻塞模型；
在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然後使用阻塞 select 系統呼叫來確定一個 I/O 描述符何時有操作。
使 select 呼叫非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知，而不僅僅為一個描述符提供通知。
對於每個提示符來說，我們可以請求這個描述符可以寫資料、有讀資料可用以及是否發生錯誤的通知
I/O複用模型能讓一個或多個socket可讀或可寫準備好時，應用能被通知到；
I/O複用模型早期用select實現，它的工作流程如下圖：
圖3
用select來管理多個I/O，當沒有資料時select阻塞，如果在超時時間內資料到來則select返回，
再呼叫recv進行資料的複製，recv返回後處理資料。
下面的C語言實現的例子，它從網路上接受資料寫入一個檔案中:
/*
* \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秒輪詢
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); //每次迴圈都要清空集合，否則不能檢測描述符變化
FD_SET(sockfd, &readset); //新增描述符
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)) //測試sock是否可讀，即是否網路上有資料
{
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實現:
#! /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();
四、訊號驅動I/O模型
老陳接收到新的信件後，一般的程式是：
開啟信封----掏出信紙 ----閱讀信件----回覆信件 ......
為了進一步減輕使用者負擔，小區物業又開發了一種新的技術：
住戶只要告訴小區物業對信件的操作步驟，小區物業信箱將按照這些步驟去處理信件，
不再需要使用者親自拆信 /閱讀/回覆了！
這就是訊號驅動I/O模型
我們也可以用訊號，讓核心在描述字就緒時傳送SIGIO訊號通知我們。
首先開啟套介面的訊號驅動 I/O功能，並通過sigaction系統呼叫安裝一個訊號處理函式。
該系統呼叫將立即返回，我們的程序繼續工作，也就是說沒被阻塞。
當資料報準備好讀取時，核心就為該程序產生一個SIGIO訊號，
我們隨後既可以在訊號處理函式中呼叫recvfrom讀取資料報，並通知主迴圈資料已準備好待處理，
也可以立即通知主迴圈，讓它讀取資料報。
無論如何處理SIGIO訊號，這種模型的優勢在於等待資料報到達期間，程序不被阻塞，主迴圈可以繼續執行，
只要不時地等待來自訊號處理函式的通知：既可以是資料已準備好被處理，也可以是資料報已準備好被讀取。
五、非同步非阻塞模式
linux下的asynchronous IO其實用得很少。
與前面的訊號驅動模型的主要區別在於：訊號驅動 I/O是由核心通知我們何時可以啟動一個 I/O操作，
而非同步 I/O模型是由核心通知我們 I/O操作何時完成 。
先看一下它的流程：
圖5：
這就是非同步非阻塞模式
以read系統呼叫為例
steps：
a. 呼叫read;
b. read請求會立即返回，說明請求已經成功發起了。
c. 在後臺完成讀操作這段時間內，應用程式可以執行其他處理操作。
d. 當 read 的響應到達時，就會產生一個訊號或執行一個基於執行緒的回撥函式來完成這次 I/O 處理過程。
/*
* \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秒輪詢
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); //每次迴圈都要清空集合，否則不能檢測描述符變化
FD_SET(sockfd, &readset); //新增描述符
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, &timeout); // 非阻塞模式
switch( ret)
{
case -1:
exit(-1);
break;
case 0:
break;
default:
if (FD_ISSET(sockfd, &readset)) //測試sock是否可讀，即是否網路上有資料
{
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;
}
}
timeout.tv_sec = check_timeval; // 必須重新設定，因為超時時間到後會將其置零
cir_count++;
printf("CNT : %d \n",cir_count);
}
end:
close(fp);
close(sockfd);
return 0;
}
server端程式:
/*
* \brief
* tcp server
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 8080
#define BACKLOG 10 // max numbef of client connection
#define MAXDATASIZE 100
int main(char argc, char *argv[])
{
int sockfd, client_fd, addr_size, recvbytes;
char rcv_buf[MAXDATASIZE], snd_buf[MAXDATASIZE];
char* val;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
int bReuseaddr = 1;
char IPdotdec[20];
/* create a new socket and regiter it to os .
* SOCK_STREAM means that supply tcp service,
* and must connect() before data transfort.
*/
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
{
perror("socket:");
exit(1);
}
/* setting server's socket */
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4 network protocol
server_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // auto IP detect
memset(&(server_addr.sin_zero),0, 8);
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const char*)&bReuseaddr, sizeof(int));
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr))== -1)
{
perror("bind:");
exit(1);
}
/*
* watting for connection ,
* and server permit to recive the requestion from sockfd
*/
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) // BACKLOG assign thd max number of connection
{
perror("listen:");
exit(1);
}
while(1)
{
addr_size = sizeof(struct sockaddr_in);
/*
* accept the sockfd's connection,
* return an new socket and assign far host to client_addr
*/
printf("watting for connect...\n");
if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_size)) == -1)
{
/* Nonblocking mode */
perror("accept:");
continue;
}
/* network-digital to ip address */
inet_ntop(AF_INET, (void*)&client_addr, IPdotdec, 16);
printf("connetion from:%d : %s\n",client_addr.sin_addr, IPdotdec);
//if (!fork())
{
/* child process handle with the client connection */
/* recive the client's data by client_fd */
if ((recvbytes = recv(client_fd, rcv_buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1)
{
perror("recv:");
exit(1);
}
rcv_buf[recvbytes]='\0';
printf("recv:%s\n", rcv_buf);
*snd_buf='\0';
strcat(snd_buf, "welcome");
sleep(3);
/* send the message to far-hosts by client_fd */
if (send(client_fd, snd_buf, strlen(snd_buf), 0) == -1)
{
perror("send:");
exit(1);
}
printf("send:%s\n", snd_buf);
close(client_fd);
之前有看到用很幽默的方式講解Windows的socket IO模型，
借用這個故事，講解下linux的socket IO模型；
老陳有一個在外地工作的女兒，不能經常回來，老陳和她通過信件聯絡。
他們的信會被郵遞員投遞到他們小區門口的收發室裡。這和Socket模型非常類似。
下面就以老陳接收信件為例講解linux的 Socket I/O模型。
一、同步阻塞模型
老陳的女兒第一次去外地工作，送走她之後，老陳非常的掛心她安全到達沒有；
於是老陳什麼也不幹，一直在小區門口收發室裡等著她女兒的報平安的信到；
這就是linux的同步阻塞模式；
在這個模式中，使用者空間的應用程式執行一個系統呼叫，並阻塞，
直到系統呼叫完成為止(資料傳輸完成或發生錯誤)。
Socket設定為阻塞模式，當socket不能立即完成I/O操作時，程序或執行緒進入等待狀態，直到操作完成。
如圖1所示：
/*
* \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;
}
顯然，程式碼中的connect, send, recv都是同步阻塞工作模式，
在結果沒有返回時，程式什麼也不做。
這種模型非常經典，也被廣泛使用。
優勢在於非常簡單，等待的過程中佔用的系統資源微乎其微，程式呼叫返回時，必定可以拿到資料；
但簡單也帶來一些缺點，程式在資料到來並準備好以前，不能進行其他操作，
需要有一個執行緒專門用於等待，這種代價對於需要處理大量連線的伺服器而言，是很難接受的。
二、同步非阻塞模型
收到平安信後，老陳稍稍放心了，就不再一直在收發室前等信；
而是每隔一段時間就去收發室檢查信箱；
這樣，老陳也能在間隔時間內休息一會，或喝杯荼，看會電視，做點別的事情；
這就是同步非阻塞模型；
同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。
在這種模型中，系統呼叫是以非阻塞的形式開啟的。
這意味著 I/O 操作不會立即完成， 操作可能會返回一個錯誤程式碼，
說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），
非阻塞的實現是 I/O 命令可能並不會立即滿足，需要應用程式呼叫許多次來等待操作完成。
這可能效率不高，
因為在很多情況下，當核心執行這個命令時，應用程式必須要進行忙碌等待，直到資料可用為止，或者試圖執行其他工作。
因為資料在核心中變為可用到使用者呼叫 read 返回資料之間存在一定的間隔，這會導致整體資料吞吐量的降低。
如圖2所示：
/*
* \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;
}
這種模式在沒有資料可以接收時，可以進行其他的一些操作，
比如有多個socket時，可以去檢視其他socket有沒有可以接收的資料；
實際應用中，這種I/O模型的直接使用並不常見，因為它需要不停的查詢，
而這些查詢大部分會是無必要的呼叫，白白浪費了系統資源；
非阻塞I/O應該算是一個鋪墊，為I/O複用和訊號驅動奠定了非阻塞使用的基礎。
我們可以使用 fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
將套接字標誌變成非阻塞，呼叫recv，
如果裝置暫時沒有資料可讀就返回-1，同時置errno為EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，這兩個巨集定義的值相同），
表示本來應該阻塞在這裡（would block，虛擬語氣），事實上並沒有阻塞而是直接返回錯誤，呼叫者應該試著再讀一次（again）。
這種行為方式稱為輪詢（Poll），呼叫者只是查詢一下，而不是阻塞在這裡死等，這樣可以同時監視多個裝置：
while(1)
{
非阻塞read(裝置1);
if(裝置1有資料到達)
處理資料;
非阻塞read(裝置2);
if(裝置2有資料到達)
處理資料;
..............................
}
如果read(裝置1)是阻塞的，那麼只要裝置1沒有資料到達就會一直阻塞在裝置1的read呼叫上，
即使裝置2有資料到達也不能處理，使用非阻塞I/O就可以避免裝置2得不到及時處理。
非阻塞I/O有一個缺點，如果所有裝置都一直沒有資料到達，呼叫者需要反覆查詢做無用功，如果阻塞在那裡，
作業系統可以排程別的程序執行，就不會做無用功了，在實際應用中非阻塞I/O模型比較少用
三、I/O複用(非同步阻塞)模式
頻繁地去收發室對老陳來說太累了，在間隔的時間內能做的事也很少，而且取到信的效率也很低.
於是，老陳向小區物業提了建議；
小區物業改進了他們的信箱系統：
住戶先向小區物業註冊，之後小區物業會在已註冊的住戶的家中新增一個提醒裝置，
每當有註冊住房的新的信件來臨，此裝置會發出 "新信件到達"聲，
提醒老陳去看是不是自己的信到了。
這就是非同步阻塞模型；
在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然後使用阻塞 select 系統呼叫來確定一個 I/O 描述符何時有操作。
使 select 呼叫非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知，而不僅僅為一個描述符提供通知。
對於每個提示符來說，我們可以請求這個描述符可以寫資料、有讀資料可用以及是否發生錯誤的通知
I/O複用模型能讓一個或多個socket可讀或可寫準備好時，應用能被通知到；
I/O複用模型早期用select實現，它的工作流程如下圖：
圖3
用select來管理多個I/O，當沒有資料時select阻塞，如果在超時時間內資料到來則select返回，
再呼叫recv進行資料的複製，recv返回後處理資料。
下面的C語言實現的例子，它從網路上接受資料寫入一個檔案中:
/*
* \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秒輪詢
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); //每次迴圈都要清空集合，否則不能檢測描述符變化
FD_SET(sockfd, &readset); //新增描述符
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)) //測試sock是否可讀，即是否網路上有資料
{
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實現:
#! /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();
四、訊號驅動I/O模型
老陳接收到新的信件後，一般的程式是：
開啟信封----掏出信紙 ----閱讀信件----回覆信件 ......
為了進一步減輕使用者負擔，小區物業又開發了一種新的技術：
住戶只要告訴小區物業對信件的操作步驟，小區物業信箱將按照這些步驟去處理信件，
不再需要使用者親自拆信 /閱讀/回覆了！
這就是訊號驅動I/O模型
我們也可以用訊號，讓核心在描述字就緒時傳送SIGIO訊號通知我們。
首先開啟套介面的訊號驅動 I/O功能，並通過sigaction系統呼叫安裝一個訊號處理函式。
該系統呼叫將立即返回，我們的程序繼續工作，也就是說沒被阻塞。
當資料報準備好讀取時，核心就為該程序產生一個SIGIO訊號，
我們隨後既可以在訊號處理函式中呼叫recvfrom讀取資料報，並通知主迴圈資料已準備好待處理，
也可以立即通知主迴圈，讓它讀取資料報。
無論如何處理SIGIO訊號，這種模型的優勢在於等待資料報到達期間，程序不被阻塞，主迴圈可以繼續執行，
只要不時地等待來自訊號處理函式的通知：既可以是資料已準備好被處理，也可以是資料報已準備好被讀取。
五、非同步非阻塞模式
linux下的asynchronous IO其實用得很少。
與前面的訊號驅動模型的主要區別在於：訊號驅動 I/O是由核心通知我們何時可以啟動一個 I/O操作，
而非同步 I/O模型是由核心通知我們 I/O操作何時完成 。
先看一下它的流程：
圖5：
這就是非同步非阻塞模式
以read系統呼叫為例
steps：
a. 呼叫read;
b. read請求會立即返回，說明請求已經成功發起了。
c. 在後臺完成讀操作這段時間內，應用程式可以執行其他處理操作。
d. 當 read 的響應到達時，就會產生一個訊號或執行一個基於執行緒的回撥函式來完成這次 I/O 處理過程。
/*
* \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秒輪詢
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); //每次迴圈都要清空集合，否則不能檢測描述符變化
FD_SET(sockfd, &readset); //新增描述符
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, &timeout); // 非阻塞模式
switch( ret)
{
case -1:
exit(-1);
break;
case 0:
break;
default:
if (FD_ISSET(sockfd, &readset)) //測試sock是否可讀，即是否網路上有資料
{
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;
}
}
timeout.tv_sec = check_timeval; // 必須重新設定，因為超時時間到後會將其置零
cir_count++;
printf("CNT : %d \n",cir_count);
}
end:
close(fp);
close(sockfd);
return 0;
}
server端程式:
/*
* \brief
* tcp server
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVPORT 8080
#define BACKLOG 10 // max numbef of client connection
#define MAXDATASIZE 100
int main(char argc, char *argv[])
{
int sockfd, client_fd, addr_size, recvbytes;
char rcv_buf[MAXDATASIZE], snd_buf[MAXDATASIZE];
char* val;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
int bReuseaddr = 1;
char IPdotdec[20];
/* create a new socket and regiter it to os .
* SOCK_STREAM means that supply tcp service,
* and must connect() before data transfort.
*/
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
{
perror("socket:");
exit(1);
}
/* setting server's socket */
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4 network protocol
server_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // auto IP detect
memset(&(server_addr.sin_zero),0, 8);
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const char*)&bReuseaddr, sizeof(int));
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr))== -1)
{
perror("bind:");
exit(1);
}
/*
* watting for connection ,
* and server permit to recive the requestion from sockfd
*/
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) // BACKLOG assign thd max number of connection
{
perror("listen:");
exit(1);
}
while(1)
{
addr_size = sizeof(struct sockaddr_in);
/*
* accept the sockfd's connection,
* return an new socket and assign far host to client_addr
*/
printf("watting for connect...\n");
if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_size)) == -1)
{
/* Nonblocking mode */
perror("accept:");
continue;
}
/* network-digital to ip address */
inet_ntop(AF_INET, (void*)&client_addr, IPdotdec, 16);
printf("connetion from:%d : %s\n",client_addr.sin_addr, IPdotdec);
//if (!fork())
{
/* child process handle with the client connection */
/* recive the client's data by client_fd */
if ((recvbytes = recv(client_fd, rcv_buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1)
{
perror("recv:");
exit(1);
}
rcv_buf[recvbytes]='\0';
printf("recv:%s\n", rcv_buf);
*snd_buf='\0';
strcat(snd_buf, "welcome");
sleep(3);
/* send the message to far-hosts by client_fd */
if (send(client_fd, snd_buf, strlen(snd_buf), 0) == -1)
{
perror("send:");
exit(1);
}
printf("send:%s\n", snd_buf);
close(client_fd);