网络编程之 Socket的模式(二) --- “Linux网络I/O模型”

1. Linux下网络I/O模型

         对于Linux系统，Richard Stevens在<Unix 网络编程：卷一>中提到了5种网络I/O模型(下面的图也来自于这本书)，分别是：
         1. 阻塞式I/O模型
         2. 非阻塞I/O模型
         3. I/O复用模型
         4. 信号驱动I/O模型

         5. 异步I/O模型

         其中前4种模型是都是同步I/O模型，有的只是API和API调用方式有所区别，只有最后一种是异步I/O模型。这里区分的标准是I/O读写是否由内核，还是由用户进程来完成。

2. 阻塞式I/O模型

         对于阻塞式I/O模型，用户层的收发进程或线程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。具体见下图:

         使用阻塞式I/O，server端的流程如下：

socket  |bind  |listen  |accept  |read/write  |close

         客户端流程如下:

socket  |connect  |write/read  |close

         使用阻塞模式的套接字，开发网络程序比较简单，容易实现。在套接字数量较少的情况下，可以考虑使用阻塞模型来开发。特别是在通讯双方，一问一答的形式下，阻塞模型实现最为简单。
         如果需要在通讯的双方实现全双工，也就是每一方都能够同时收发数据，使用阻塞式套接字，意味着程序为每个连接必须存在两个线程。如果线程之间还需要同步，在大量套接字的情况下，阻塞式Socket模型难以维护，难以扩展。

3. 非阻塞I/O模型

         对于非阻塞I/O模型，用户需要通过进程反复调用I/O函数(多次系统调用，并马上返回)。阻塞模式套接字的不足表现为，在大量建立好的套接字线程之间进行通信时比较困难。当使用“生产者-消费者”模型开发网络程序时，为每个套接字都分别分配一个读线程、一个处理数据线程和一个用于同步的事件，那么这样无疑加大系统的开销。其最大的缺点是当希望同时处理大量套接字时，将无从下手，扩展性很差。 具体见下图：

         从上图中可以看出，这是一个用户不断轮询的过程。每次用户都会询问内核是否有数据报准备好(文件描述符缓冲区是否就绪)，当数据报准备好的时候，就进行拷贝数据报的操作。当数据报没有准备好的时候，也不阻塞程序，内核直接返回未准备就绪的信号，等待用户程序的下一次轮询。

         使用非阻塞I/O模型，server端的流程如下：

socket  |bind  |listen  |accept  |read(null) -> read(null) -> read(null) -> ... read(data)  |write(null) -> write(null) -> write(null) -> ... write(data)  |close

        客户端流程如下:

socket  |connect  |read(null) -> read(null) -> read(null) -> ... read(data)  |write(null) -> write(null) -> write(null) -> ... write(data)  |close

        在上述的非阻塞式I/O模型中，用户使用时需要不断的轮询，也就是不断的调用I/O操作去查询I/O上是否存在数据接收或者数据是否可以发送，因此CPU可能会被一直用于轮询，而造成资源的浪费。所以在实际情况下，很少会使用非阻塞式的I/O模型，但是也不排除使用I/O复用模型的局部，使用该种方式。举个例子，为了方便起见，当使用select函数获得某个socket可写的信号时，使用write函数一次写入的数据大小可能小于我们希望写入的数据大小，这时往往可以继续调用write函数，直至写完。而不必要重新进行select等待，直到等到下一个socket可写信号，而进行写入。

4. I/O复用模型

        I/O复用模型的关键是使用select函数，对一个I/O端口，两次调用，两次返回，但同阻塞式I/O模型下的send/recv函数不同的是，select函数可以同时阻塞多个I/O操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。同select函数功能类似的，还有poll、epoll操作，这个接下来讨论。具体见下图：

        从上图中可见，当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

        使用I/O复用模型，server端的流程如下：

socket  |bind  |listen  |select  <=============  |                  |accept/read/write ====  |close

        客户端流程如下:

socket  |connect  |select  <=============  |                  |read/write ===========  |close

        I/O复用模型的好处是在于它可以同时处理多个connection。

5. 信号驱动I/O模型

        信号驱动模型是Linux/Unix系统上所特有的，源自Berkeley的Socket实现了SIGIO信号，用来支持套接字和终端设备上的信号驱动I/O功能。

        使用信号驱动I/O时，进程预先告知内核，使得当某个socketfd有events(事件)发生时，内核使用信号通知相关进程。具体见下图：

        具体步骤如下：
        1. 建立SIGIO信号处理函数
        sigaction 结构:

struct sigaction {     void (*sa_handler)(int);//信号处理函数     sigset_t sa_mask;//用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask指定的信号搁置     int sa_flags;//用来设置信号处理的其他相关操作     void (*sa_restorer)(void);//这个参数没有使用 } ;

        sigaction 函数： 

int sigaction(int signum,    // 所注册的信号，我们这边都设置为SIGIO              const struct sigaction *act,  // 信号触发所处理的函数              struct sigaction *oldact);    // 一般设置为NULL

        示例:

void do_sigio(int sig) {    /* SIGIO处理 */ } struct sigaction sigio_action;memset(&sigio_action, 0, sizeof(sigio_action));sigio_action.sa_flags = 0;sigio_action.sa_handler = do_sigio;sigaction(SIGIO, &sigio_action, NULL);

        2. 设置该套接口的属主，通常使用fcntl的F_SETOWN命令设置。

int fd;fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);......fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());// 设置套接字所有者以接收SIGIO 

        3. 开启该套接口的信号驱动I/O，通常使用fcntl的F_SETFL命令打开O_ASYNC标志完成。

int flags;flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);// 获取Socket原有flag参数flags |= O_ASYNC | O_NONBLOCK;fcntl(fd, F_SETFL, flags);// 设置信号驱动和非阻塞模式

        信号驱动I/O模型用的比较少，主要使用在UDP套接字上，TCP套接字几乎不使用。这是因为，在UDP编程中使用信号驱动I/O，此时SIGIO信号产生于下面两种情况： 
        1. 套接字收到一个数据报。 
        2. 套接字上发生了异步错误。 
        因此，当应用因为收到一个UDP数据报而产生的SIGIO时，要么可以调用recvfrom读取该数据报，要么得到一个异步错误。 
        而对于TCP编程，信号驱动I/O就没有太大意义了，因为对于流式套接字而言，有很多情况都可以导致SIGIO产生，而应用又无法区分是什么具体情况导致该信号产生的。例如： 
        1. 监听套接字完成了一个连接请求。 
        2. 收到了一个断连请求。 
        3. 断连操作完成。 
        4. 套接字收到数据。 
        5. 有数据从套接字发出。
        对于TCP下应用信号驱动I/O模型，Stevens 指出：我们应该考虑只对“监听(形容词)TCPsocket”(描述符)使用SIGIO，因为对于“监听TCPsocket”产生SIGIO的唯一条件是新连接完成。也就是说，只有TCP下只有用作listen的端口，才考虑使用信号驱动I/O模型。

6. 异步I/O模型

        Linux下的异步I/O模型使用的非常少，通常认为Linux下没有比较完美的异步文件I/O方案。目前比较出名的有Glibc的AIO与Kernel Native AIO等方案。

        异步I/O表现为：
        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。请注意这个过程和信号驱动I/O模型是不同的，内核完成了I/O数据的读写，而不是用户进程。具体如下图：

7. 各种I/O模型的比较：

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