Linux 网络编程（IO模型）

时间：2021-11-24 12:04:19

针对linux 操作系统的5类IO模型，阻塞式、非阻塞式、多路复用、信号驱动和异步IO进行整理，参考《linux网络编程》及相关网络资料。

阻塞模式

在socket编程（如下图）中调用如下四类函数导致阻塞：

  • 读操作（read、readv、recv、recvfrom、recvmsg）:当应用程序调用读函数，该系统调用进入内核态，若套接字接收缓冲区无数据则阻塞，数据到达则将接收缓冲区数据拷贝至进程缓冲区并返回。对TCP而言，一旦接收缓冲区中与数据则进程被唤醒，对UDP而言有完整的UDP报文达到进程被唤醒。
  • 写操作（write、writev、send、sendto、sendmsg）:当发送缓冲区空间小于写操作要求写的数量则阻塞，该情况发生很少。对UDP而言，不存在发送缓冲区，因此不可能发送阻塞。
  • 接收连接（accept）:TCP协议采用倾听套接字接收客户机连接请求，完成三次握手的TCP连接保存在倾听套接字完成队列。当accept被调用时，若完成队列为空则阻塞。当有新的TCP连接，进程被唤醒同时分配一个新的连接套接字标识这个TCP连接。
  • 建立连接（connect）：TCP套接字调用connect与服务器连接时进程将阻塞，待3次握手操作完成后（内核态）进程被唤醒。

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非阻塞模式

针对上述四类阻塞模式的socket调用，均可通过设置的方式使其非阻塞。设置方式有两种fcntl设置套接字为O_NONBLOCK，以及ioctl设置FIONBIO。完成后其四类操作非阻塞，如下：

  • 读操作：缓冲区无数据，函数以错误EWOULDBLOCK返回；
  • 写操作：发送缓冲区无空间，函数以错误EWOULDBLOCK返回；
  • 接收连接：若队列中无新的连接，函数以错误EWOULDBLOCK返回；
  • 连接操作：若连接不能马上建立，返回错误类型EINPROGRESS；

非阻塞模式在运用中采用轮询，或配合select的方式使用。

多路复用

进程定义读描述符集、写描述符集以及异常描述符集（作为select的入参），在select被调用时如果没有描述符集就绪，该select将被阻塞。当有任何一个或几个描述符就绪时，select设置描述符集，并返回就绪描述符的个数。

/*
* 多路复用select函数，参数定义如下
* nfds: select监视的文件句柄数，一般设置为最大文件号+1
* readfds:select监视的可读文件句柄集合
* writefds:select监视的可写文件句柄集合
* exceptfds:select监视的异常文件句柄集合
*/
int select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout)

注：对于监视一个描述符的情况，select与阻塞模式无区别。

信号驱动

信号驱动的方式属于一种异步的ＩＯ方式，进程本身不会被挂起，流程如下：

Linux 网络编程（IO模型）

信号驱动的IO方式主要分以下三步操作：

signal(SIGIO,sig_handler); //设置SIGIO信号对应的处理函数

fcntl(sockfd,F_SETOWN, getpid());//设置接收SIGIO信号的进程为当前进程，该信号由sockfd句柄产生

ioctl(sockfd,FIOASYNC,&on);//允许sockfd套接字进行信号驱动的输入输出

对于UDP套接字，内核在以下情况下发送信号SIGIO：

  • 套接字上接收到一个UDP数据报
  • 套接字上发生一个异步错误

对TCP套接字，内核在以下情况下发送信号SIGIO：

  • 在倾听套接字上，一个连接请求完成
  • 初始化了一个断开连接的请求
  • 断开连接请求完成
  • 一个方向的连接被关闭
  • 数据到达套接字
  • 套接字发送了数据
  • 异步错误发生

异步IO

异步IO是linux 2.6内核的标准特性，基本思想是允许进程发起很多IO操作，而不用阻塞或等待任何操作。稍后在接收到IO操作完成的通知时，再检索IO操作的结果。

aio过程的数据缓存在结构体aiocb中，该结构体定义如下：

struct aiocb

{

  int aio_fildes;               /* File desriptor.  */ int aio_lio_opcode;           /* Operation to be performed.  */int aio_reqprio;              /* Request priority offset.  */ volatile void *aio_buf;       /* Location of buffer.  */

  size_t aio_nbytes;            /* Length of transfer.  */struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.  */

根据posix.1b所要求，主要包括如下函数：

  • aio_read(struct aiocb* aiocbp); //进行异步读操作
  • aio_write(struct aiocb* aiocbp);//进行异步写操作
  • aio_error(struct aiocb* aiocbp);//确定请求的状态
  • aio_return(struct aiodb* aiocbp);//读写的异步返回

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