全面剖析UNIX网络编程的五种I/O模式

在Linux系统中，内核将所有外部设备都视为文件来操作。对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，并返回一个文件描述符（file descriptor，简称fd ）。同样地，对一个套接字的读写操作也有对应的描述符，称为socket描述符（socketfd）。描述符实际上是一个数字，指向内核中的一个结构体，该结构体包含文件路径、数据区等属性。

《UNIX网络编程》将I/O模型分为五种类型：

1. 阻塞I/O模型

阻塞I/O模型是最常用的I/O模型。在默认情况下，所有文件操作都是阻塞的。当在进程空间中调用recvfrom时，该系统调用会一直阻塞，直到数据包到达并被复制到应用进程的缓冲区中，或者发生错误。这段时间内，进程会一直等待，因此被称为阻塞I/O模型。

工作流程

1. 应用程序调用recvfrom
2. recvfrom阻塞等待数据包到达或错误发生
3. 数据包到达或发生错误时，recvfrom返回

示例代码

char buffer[1024]; // 定义一个缓冲区用于存储接收到的数据
int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL); // 调用recvfrom阻塞等待数据

代码讲解

• char buffer[1024]：定义一个大小为1024字节的缓冲区，用于存储接收到的数据。
• int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL,NULL) ：调用recvfrom 函数从套接字sockfd 读取数据。该调用会阻塞，直到数据包到达并被复制到缓冲区buffer 中。返回值n是读取到的字节数。

2. 非阻塞I/O模型

在非阻塞I/O模型中，当调用recvfrom 时，如果缓冲区没有数据，它会立即返回一个EWOULDBLOCK错误。应用程序通常会通过轮询不断检查这个状态，以查看内核是否有数据到达。

工作流程

1. 应用程序调用recvfrom
2. 如果没有数据，recvfrom 立即返回EWOULDBLOCK
3. 应用程序轮询检查数据到达状态
4. 数据到达时，recvfrom成功返回

// 设置套接字为非阻塞模式
fcntl(sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // 设置非阻塞模式

char buffer[1024]; // 定义缓冲区
int n;
while ((n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL)) < 0) {
    if (errno == EWOULDBLOCK) {
        // 无数据，继续轮询
    } else {
        // 处理其他错误
    }
}

代码讲解

• fcntl(sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) ：将套接字设置为非阻塞模式，这样recvfrom调用不会阻塞。
• while ((n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL))< 0) ：循环调用recvfrom 读取数据。如果没有数据，recvfrom 会立即返回EWOULDBLOCK错误。
• if (errno == EWOULDBLOCK) {} ：检查错误类型是否为EWOULDBLOCK，表示当前没有数据到达，继续轮询。
• else {}：处理其他可能的错误情况。

3. I/O复用模型

I/O复用模型利用select/poll 系统调用来监控多个文件描述符。进程将一个或多个fd 传递给select/poll ，并阻塞在这些操作上。当任何一个fd 就绪时，select/poll 会返回。这种方式允许我们同时监控多个I/O事件，select/poll 是顺序扫描fd 是否就绪，而且支持的fd 有限，因此它的使用受到了一些制约。epoll 是Linux特有的更高效的I/O复用方式，它采用事件驱动机制代替了顺序扫描，比传统的select 和poll 更高效。当有fd 就绪时，立即回调函数rollback

工作流程

1. 应用程序调用select/poll
2. 阻塞等待任一fd就绪
3. fd 就绪时，select/poll返回
4. 处理I/O事件

示例代码

fd_set readfds; // 定义文件描述符集合
FD_ZERO(&readfds); // 初始化文件描述符集合
FD_SET(sockfd, &readfds); // 将套接字添加到集合中

int nfds = select(sockfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL); // 调用select等待数据
if (nfds > 0) {
    if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) { // 检查套接字是否有数据
        char buffer[1024];
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL); // 读取数据
        // 处理数据
    }
}

代码讲解

• fd_set readfds ：定义一个文件描述符集合readfds。
• FD_ZERO(&readfds) ：将文件描述符集合readfds初始化为空。
• FD_SET(sockfd, &readfds) ：将套接字sockfd添加到文件描述符集合中。
• int nfds = select(sockfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL) ：调用select，等待集合中的任何一个文件描述符变为就绪状态。如果有文件描述符就绪，select返回。
• if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {} ：检查套接字sockfd是否有数据可读。
• int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL) ：从套接字读取数据并存储到缓冲区buffer中。

4. 信号驱动I/O模型

信号驱动I/O模型首先需要开启套接字的信号驱动I/O功能，并通过sigaction 系统调用设置一个信号处理函数。当数据准备就绪时，内核会向进程发送一个SIGIO 信号，通知应用程序调用recvfrom来读取数据，并通知主循环函数处理数据。

工作流程

1. 设置信号处理函数并启用信号驱动I/O
2. 继续处理其他任务
3. 数据准备就绪时，内核发送SIGIO信号
4. 信号处理函数调用recvfrom读取数据

示例代码

// 信号处理函数
void sigio_handler(int signo) {
    char buffer[1024];
    int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL); // 读取数据
    // 处理数据
}

// 设置信号处理函数
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = sigio_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGIO, &sa, NULL);

// 启用信号驱动I/O
fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid()); // 将当前进程设为套接字的所有者，以便接收信号
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_ASYNC); // 启用异步I/O

代码讲解

• void sigio_handler(int signo) {} ：定义一个信号处理函数，当接收到SIGIO信号时被调用。
• struct sigaction sa ：定义一个sigaction 结构体sa。
• sa.sa_handler = sigio_handler ：将信号处理函数设置为sigo_handler。
• sigemptyset(&sa.sa_mask)：初始化信号掩码。
• sa.sa_flags = 0：设置标志位。
• sigaction(SIGIO, &sa, NULL) ：为SIGIO信号安装信号处理函数。
• fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid()) ：将当前进程设置为套接字的所有者，以便接收SIGIO信号。
• int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL)：获取套接字的当前标志。
• fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_ASYNC)：启用异步I/O（信号驱动I/O）。

5. 异步I/O模型

异步I/O模型与信号驱动I/O模型类似，但它不仅通知我们何时可以开始I/O操作，还会通知我们操作已经完成。应用程序通过系统调用告诉内核启动某个操作，当操作完成（包括将数据从内核复制到用户缓冲区）后，内核会通知应用程序。

工作流程

1. 告知内核启动I/O操作
2. 继续处理其他任务
3. 内核通知I/O操作完成
4. 处理完成的数据

示例代码

// 定义异步I/O控制块
struct aiocb cb;
memset(&cb, 0, sizeof(struct aiocb)); // 清零控制块
cb.aio_fildes = sockfd; // 设置文件描述符
cb.aio_buf = buffer; // 设置缓冲区
cb.aio_nbytes = sizeof(buffer); // 设置读取字节数
cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; // 设置信号通知方式
cb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO; // 设置通知信号

// 启动异步读操作
aio_read(&cb); // 启动异步读取

// 信号处理函数
void aio_completion_handler(int signo) {
    // 检查操作是否完成
    if (aio_error(&cb) == 0) {
        int n = aio_return(&cb); // 获取读取的字节数
        // 处理数据
    }
}

代码讲解

• struct aiocb cb ：定义一个异步I/O控制块cb。
• memset(&cb, 0, sizeof(struct aiocb))：将控制块清零。
• cb.aio_fildes = sockfd ：设置文件描述符sockfd。
• cb.aio_buf = buffer：设置缓冲区buffer。
• cb.aio_nbytes = sizeof(buffer)：设置要读取的字节数。
• cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL：设置信号通知方式。
• cb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO ：设置通知信号为SIGIO。
• aio_read(&cb)：启动异步读操作，立即返回，内核将在操作完成时通知。
• void aio_completion_handler(int signo) {}：定义一个信号处理函数，当异步操作完成时被调用。
• if (aio_error(&cb) == 0) {}：检查异步操作是否出错。
• int n = aio_return(&cb)：获取读取的字节数。

总结

本文介绍了UNIX网络编程中五种主要的I/O模型：阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O复用、信号驱动I/O和异步I/O。每种模型都有其独特的应用场景和优缺点，理解这些模型对于优化网络编程性能至关重要。通过实际的代码示例和详细讲解，您可以更好地掌握每种模型的工作原理和实现方法。

参考文献

• 《UNIX网络编程（第1卷）：套接字联网API》 - W. Richard Stevens, Bill Fenner, Andrew M.
  Rudoff
• 《高级编程：UNIX环境》 - W. Richard Stevens, Stephen A. Rago
• Linux手册页（man pages）

希望这篇文章对您了解和使用不同的I/O模型有所帮助。如果您有任何问题或需要进一步的解释，请随时留言。