Linux 網絡編程（IO模型）

針對linux 操做系統的5類IO模型，阻塞式、非阻塞式、多路複用、信號驅動和異步IO進行整理，參考《linux網絡編程》及相關網絡資料。

阻塞模式

在socket編程（以下圖）中調用以下四類函數致使阻塞：

• 讀操做（read、readv、recv、recvfrom、recvmsg）:當應用程序調用讀函數，該系統調用進入內核態，若套接字接收緩衝區無數據則阻塞，數據到達則將接收緩衝區數據拷貝至進程緩衝區並返回。對TCP而言，一旦接收緩衝區中與數據則進程被喚醒，對UDP而言有完整的UDP報文達到進程被喚醒。
• 寫操做（write、writev、send、sendto、sendmsg）:當發送緩衝區空間小於寫操做要求寫的數量則阻塞，該狀況發生不多。對UDP而言，不存在發送緩衝區，所以不可能發送阻塞。
• 接收鏈接（accept）:TCP協議採用傾聽套接字接收客戶機鏈接請求，完成三次握手的TCP鏈接保存在傾聽套接字完成隊列。當accept被調用時，若完成隊列爲空則阻塞。當有新的TCP鏈接，進程被喚醒同時分配一個新的鏈接套接字標識這個TCP鏈接。
• 創建鏈接（connect）：TCP套接字調用connect與服務器鏈接時進程將阻塞，待3次握手操做完成後（內核態）進程被喚醒。

非阻塞模式

針對上述四類阻塞模式的socket調用，都可經過設置的方式使其非阻塞。設置方式有兩種fcntl設置套接字爲O_NONBLOCK，以及ioctl設置FIONBIO。完成後其四類操做非阻塞，以下：

• 讀操做：緩衝區無數據，函數以錯誤EWOULDBLOCK返回；
• 寫操做：發送緩衝區無空間，函數以錯誤EWOULDBLOCK返回；
• 接收鏈接：若隊列中無新的鏈接，函數以錯誤EWOULDBLOCK返回；
• 鏈接操做：若鏈接不能立刻創建，返回錯誤類型EINPROGRESS；

非阻塞模式在運用中採用輪詢，或配合select的方式使用。

多路複用

進程定義讀描述符集、寫描述符集以及異常描述符集（做爲select的入參），在select被調用時若是沒有描述符集就緒，該select將被阻塞。當有任何一個或幾個描述符就緒時，select設置描述符集，並返回就緒描述符的個數。

/*
* 多路複用select函數，參數定義以下
* nfds: select監視的文件句柄數，通常設置爲最大文件號+1
* readfds:select監視的可讀文件句柄集合
* writefds:select監視的可寫文件句柄集合
* exceptfds:select監視的異常文件句柄集合
*/
int select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout)

 注：對於監視一個描述符的狀況，select與阻塞模式無區別。

信號驅動

信號驅動的方式屬於一種異步的ＩＯ方式，進程自己不會被掛起，流程以下：

 

信號驅動的IO方式主要分如下三步操做：

signal(SIGIO,sig_handler); //設置SIGIO信號對應的處理函數
fcntl(sockfd,F_SETOWN, getpid());//設置接收SIGIO信號的進程爲當前進程，該信號由sockfd句柄產生
ioctl(sockfd,FIOASYNC,&on);//容許sockfd套接字進行信號驅動的輸入輸出

 

 對於UDP套接字，內核在如下狀況下發送信號SIGIO：

• 套接字上接收到一個UDP數據報
• 套接字上發生一個異步錯誤

對TCP套接字，內核在如下狀況下發送信號SIGIO：

• 在傾聽套接字上，一個鏈接請求完成
• 初始化了一個斷開鏈接的請求
• 斷開鏈接請求完成
• 一個方向的鏈接被關閉
• 數據到達套接字
• 套接字發送了數據
• 異步錯誤發生

異步IO

異步IO是linux 2.6內核的標準特性，基本思想是容許進程發起不少IO操做，而不用阻塞或等待任何操做。稍後在接收到IO操做完成的通知時，再檢索IO操做的結果。

aio過程的數據緩存在結構體aiocb中，該結構體定義以下：

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.  */ 

 

根據posix.1b所要求，主要包括以下函數：

• aio_read(struct aiocb* aiocbp); //進行異步讀操做
• aio_write(struct aiocb* aiocbp);//進行異步寫操做
• aio_error(struct aiocb* aiocbp);//肯定請求的狀態
• aio_return(struct aiodb* aiocbp);//讀寫的異步返回