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 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;
}
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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 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;
}
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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:
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:
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/*
* \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)) //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;
}
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perl实现:
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#! /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。
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:
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。
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/*
* \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)) //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;
}
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server端程序:
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|
/*
* \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);
//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:
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:
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。
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