Linux網絡編程(四)

在linux網絡編程【1-3】中，咱們編寫的網絡程序僅僅是爲了瞭解網絡編程的基本步驟，實際應用當中的網絡程序並不會用那樣的。首先，若是服務器須要處理高併發訪問，一般不會使用linux網絡編程(三)中那樣的多進程方式，由於那樣至關耗系統資源。實際當中，網絡程序多使用select、poll、epoll等多路IO複用來進行編寫。在進入主題以前，咱們先來了解一下linux的IO模型。

現有的linux IO模型有5種：阻塞式IO模型，非阻塞式IO模型，IO複用模型，信號驅動式IO模型，異步IO模型。

關於阻塞、非阻塞、同步、異步，甚至併發等待，這些概念一直沒有很好的理解，特地翻閱一些資料和博文，彙總以下：

1.阻塞IO模型

　　在linux中，默認狀況下全部的socket都是blocking，當用戶進程調用了recvfrom這個系統調用，kernel就開始了IO的第一個階段：準備數據。對於network io來講，不少時候數據在一開始尚未到達（好比，尚未收到一個完整的UDP包），這個時候kernel就要等待足夠的數據到來。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞。當kernel一直等到數據準備好了，它就會將數據從kernel中拷貝到用戶內存，而後kernel返回結果，用戶進程才解除block的狀態，從新運行起來。因此，blocking IO的特色就是在IO執行的兩個階段都被block了。

2.非阻塞IO模型

　　linux下，能夠經過設置socket使其變爲non-blocking，從圖中能夠看出，當用戶進程發出read操做時，若是kernel中的數據尚未準備好，那麼它並不會block用戶進程，而是馬上返回一個error。從用戶進程角度講 ，它發起一個read操做後，並不須要等待，而是立刻就獲得了一個結果。用戶進程判斷結果是一個error時，它就知道數據尚未準備好，因而它能夠再次發送read操做。一旦kernel中的數據準備好了，而且又再次收到了用戶進程的system call，那麼它立刻就將數據拷貝到了用戶內存，而後返回。因此，用戶進程實際上是須要不斷的主動詢問kernel數據好了沒有。這種模型須要用戶進程不斷的查詢內核，比較消耗cpu，因此應用得比較少。

3.IO多路複用模型

　　IO multiplexing這個詞可能有點陌生，可是若是我說select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也稱這種IO方式爲event driven IO。咱們都知道，select/epoll的好處就在於單個process就能夠同時處理多個網絡鏈接的IO。它的基本原理就是select/epoll這個function會不斷的輪詢所負責的全部socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。

　　當用戶進程調用了select，那麼整個進程會被block，而同時，kernel會「監視」全部select負責的socket，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調用read操做，將數據從kernel拷貝到用戶進程。
　　這個圖和blocking IO的圖其實並無太大的不一樣，事實上，還更差一些。由於這裏須要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一個system call (recvfrom)。可是，用select的優點在於它能夠同時處理多個connection。

　　在IO multiplexing Model中，實際中，對於每個socket，通常都設置成爲non-blocking，可是，如上圖所示，整個用戶的process實際上是一直被block的。只不過process是被select這個函數block，而不是被socket IO給block。

4.信號驅動的IO模型

　　

　　首先經過sigaction系統調用註冊信號處理函數，而後當即返回，進程繼續運行，這一過程是非阻塞的。當數據準備好後，內核發送SIGIO信號給進程，進程收到該信號後，讀取準備好的數據。

5.異步IO模型

　　

　　用戶進程發起read操做以後，馬上就能夠開始去作其它的事。而另外一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read以後，首先它會馬上返回，因此不會對用戶進程產生任何block。而後，kernel會等待數據準備完成，而後將數據拷貝到用戶內存，當這一切都完成以後，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它read操做完成了。

關鍵詞總結對比：

阻塞	調用進程一直被阻塞，直到操做完成。
非阻塞	在內核的數據還未準備好時，會當即返回。
同步	引發請求進程阻塞，直到IO操做完成。
異步	不會引發請求進程阻塞。所以上述五種IO模型只有第五種是異步IO模型。

　　從上面表格所列的咱們對阻塞非阻塞，同步異步的理解，咱們編寫的網絡程序基本上不多使用異步，至少我在工程代碼裏不多看到有異步代碼。事實上，咱們用的最多的模型應該是IO多路複用模型，且一般將其中的每個socket都設置爲非阻塞。

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