幽默讲解linux的Socket IO模型零存整取

前言
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。

一、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：

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/* * \brief * tcp client */#include #include #include #include #include #define SERVPORT 8080 #define MAXDATASIZE 100int 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。

二、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：

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/* * \brief * tcp client */#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define SERVPORT 8080 #define MAXDATASIZE 100int 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

三、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：
图3

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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1ret = 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();

四、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。

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【幽默讲解linux的Socket IO模型】

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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。

五、异步非阻塞模式
linux下的asynchronous IO其实用得很少。
与前面的信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动 I/O是由内核通知我们何时可以启动一个 I/O操作，
而异步 I/O模型是由内核通知我们 I/O操作何时完成。
先看一下它的流程：
图5：

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这就是异步非阻塞模式
以read系统调用为例
steps：
a. 调用read;
b. read请求会立即返回，说明请求已经成功发起了。
c. 在后台完成读操作这段时间内，应用程序可以执行其他处理操作。
d. 当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

/* * \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1ret = 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))//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; } } timeout.tv_sec = check_timeval; // 必须重新设置，因为超时时间到后会将其置零cir_count++; printf("CNT : %d \n",cir_count); }end: close(fp); close(sockfd); return 0; }server端程序: /* * \brief * tcp server */ #include #include #include #include #include #include #include #define SERVPORT 8080 #define BACKLOG 10 // max numbef of client connection #define MAXDATASIZE 100int 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); //exit(1); }//close(client_fd); }return 0; }

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。

六、总结
到目前为止，已经将四个IO Model都介绍完了。
现在回过头来回答两个问题：
. blocking和non-blocking的区别在哪?
. synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。

先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。
前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。
. 调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，
. 而non-blocking IO在kernel还在准备数据的情况下会立刻返回。

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。
Stevens给出的定义（其实是POSIX的定义）是这样子的：
. A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until thatI/O operation completes;
. An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于:
synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。

按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。
有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，

定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，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，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。
但是，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则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，
直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。
各个IO Model的比较如图所示：
图6

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经过上面的介绍，会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的:
.在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，
并且当数据准备完成以后，也需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则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，
然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

最后，再举几个不是很恰当的例子来说明这五个IO Model:
有A，B，C，D，E五个人钓鱼：
. A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；
. B的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，
隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；
. C用的鱼竿和B差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，
一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；
. D是个有钱人，他没耐心等，但是又喜欢钓上鱼的快感，所以雇了个人，一旦那个人发现有鱼上钩，
就会通知D过来把鱼钓上来；
. E也是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给E发个短信。