【Linux】网络编程 —— 五种IO模型

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网络编程

• [🌈欢迎来到Linux专栏 ~~ 网络编程](#🌈欢迎来到Linux专栏 ~~ 网络编程)
• 🌏关于IO的理解
• • 🔥IO是什么？本质是什么？
  • [🔥什么叫做高效的IO？ 如何设计高效IO](#🔥什么叫做高效的IO？ 如何设计高效IO)
• 🌏五种IO模型
• • 🔥阻塞IO
  • 🔥非阻塞IO
  • 🔥信号驱动IO
  • 🔥多路复用
  • [💥同步IO 🆚 异步IO](#💥同步IO 🆚 异步IO)
  • 🔥异步IO
• [🌏探究 非阻塞IO](#🌏探究 非阻塞IO)
• • 🔥fcntl
  • 实现函数SetNoBlock
  • 轮询方式读取标准输入
• 📢写在最后

🌏关于IO的理解

🔥IO是什么？本质是什么？

Input / Output：外设 ------ 内存 ：网络通信本质属于IO范畴！

所以IO的本质：等 + 拷贝 。如果我们感觉到IO慢，其实是在单位时间内等待的时间占比太大了！因为拷贝的效率是和硬件强相关的，如果我们要提高IO效率，不能从拷贝出下功夫👊

🔥什么叫做高效的IO？ 如何设计高效IO

所谓高效的IO ，就是在单位时间内，IO中等待的比重越低，那么IO的效率就高了

🌏五种IO模型

我们以钓鱼为例 ：钓鱼 = 等待 + 钓；那么是钓鱼效率高是钓的快还是等待的少呢？

张三：一直关注鱼漂，鱼上钩立马识别，完成钓鱼。如果鱼漂不动，什么都不做

李四：轮询式的关注鱼漂，不会因为鱼漂没有鱼咬钩而卡住自己，边玩手机哈哈

王五：把铃铛🔔挂在鱼竿上，自己做别的事，铃铛来通知自己

赵六： 把一百根鱼缸都插到海边，同时检测多个鱼竿的鱼漂事件

田七： 让秘书小王帮他去钓鱼，自己高高挂起

以上就是五种钓鱼方式，那么上面哪个人的钓鱼效率最高呢？

因为钓鱼 = 等待 + 钓起。但是赵六有100根鱼竿，其他人就一根

• 鱼咬赵六的概率就是100/104 ，其他人就通通是1/104 也就是赵六等待上钩的时间永远比其他人要低，所以赵六的钓鱼概率是最高的（赵六一次追100个女孩哈哈）

张三 = 阻塞IO

李四 = 非阻塞IO

王五 = 信号驱动IO

赵六 = 多路复用 or 多路转接

田七 = 异步IO

就是对应的五种IO模型，最常使用的是阻塞、非阻塞、多路复用

🔥阻塞IO

阻塞IO ：在内核将数据准备好之前，系统调用会⼀直等待。所有的套接字，默认都是阻塞方式

阻塞IO和非阻塞IO：差异在于等待事件就绪的方式不同 ------ 不就是二者都要等待吗 ------ 💥二者效率对于钓鱼这件事来说 效率是一样的

但是我们怎么感觉非阻塞IO 可以做更多的事情呢？阻塞和非阻塞在钓鱼（IO）上效率是一样的没错，非阻塞可以利用等待的时间去做其他事情啊 ，那么这个其他事情可以是读取另外一个文件描述符呢? 这样说非阻塞的效率高是可以的

• 🔥非阻塞在单位时间内可以做更多事情！

但是我们现在只讨论一个文件描述符的情况下讨论效率高低 阻塞和非阻塞效率是一样的

🔥非阻塞IO

非阻塞IO ：如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写无件描述符，这个过程称为轮询。这对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用

🔥信号驱动IO

信号驱动IO ：内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

signal(SIGIO, handler);

          ① 注册 SIGIO
应用程序 -----------------> 内核
   |
   | 做其他事情
   |
   |                     socket 数据到达
   |                            |
   |                            v
   | <------------------- ② SIGIO 信号
   |
   | ③ 信号处理函数执行
   v
recv()/read()

🔥多路复用

IO多路转接 ：虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似。实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个多件描述符的就绪状态

• select 去等待数据，同时等待多个文件描述符，一旦一个数据就绪了就拷贝数据
• recvfrom 拷贝数据

💥同步IO 🆚 异步IO

IO分为两种：同步IO 和异步IO，上述的都是同步IO

同步和异步关注的是消息通信机制

• 同步IO ：不仅要参与发起IO，还要参与IO的过程，其中等待和钓鱼参与其中一个就是同步IO

• 异步IO ：只参与发起IO，但是不参与IO的任何细节

• 所谓同步 ，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回 。但是一旦调用返回，就得到返回值了；换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果;

• 异步 则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果 ;换句话说，当⼀个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者 ，或通过回调函数处理这个调用。田七给小王发布钓鱼任务后就不管了，直接回家，后续有结果也是小王打电话回来告诉田七

🔥异步IO

只参与发起IO，但是不参与IO的任何细节

由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)

• OS负责等待数据与拷贝

🌏探究 非阻塞IO

int recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

对于recv来说，flags参数代表的是接收方式

flags	作用
0	默认接收
MSG_PEEK	偷看数据，但不把数据从接收缓冲区移走
MSG_DONTWAIT	本次 recv() 使用非阻塞方式
MSG_WAITALL	尽量等到指定长度的数据全部到齐再返回
MSG_OOB	接收带外数据

也就是说recv可以设置成非阻塞解锁，同理open文件也可以用O_NDELAY来设置

这里想说明的意思是设置成非阻塞的方式可以有很多！ 但有没有一种通用的方式来设置呢？？

🔥fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞IO ，后续无论是read、write操作此文件都是非阻塞的

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, .../* arg */ );

传入的cmd的值不同，后面追加的参数也不相同

fcntl函数有5种功能：

• 复制⼀个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
• 获得/设置文件描述符标记 (cmd=F_GETFD或F_SETFD)
• 💥获得/设置文件状态标记 (cmd=F_GETFL或F_SETFL)
• 获得/设置异步I/O所有权 (cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)
• 获得/设置记录锁 (cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW）

我们此处只是用第三种功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞

实现函数SetNoBlock

基于fcntl，我们实现一个SetNoBlock函数，将文件描述符设置为非阻塞

void SetNoBlock(int fd) {
	int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
	if (fl < 0) {
		perror("fcntl");
		return;
	}
	fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

使用 F_GETFL 将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)

然后再使用 F_SETFL 将文件描述符设置回去。设置回去的同时，加上一个O_NONBLOCK参数

轮询方式读取标准输入

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <system_error> 
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

void SetNoBlock(int fd) {
	int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
	if (fl < 0) {
		perror("fcntl");
		return;
	}
	fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    char inbuffer[1024];
    SetNoBlock(0);
    while(1)
    {
        ssize_t n = read(0, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            inbuffer[n-1] = 0;
            std::cout << "echo # " << inbuffer << std::endl;
        }
        else {
            //可以干其他事情
            std::cerr << "error ..." << std::endl;
        }
        sleep(1);
    }
}

其实上面代码有一个逻辑上错误：当我们读到文件结尾 的时候呢？if（n == 0）

当我们 读取失败 和 读取文件fd时，数据还没有就绪的时候都是以出错形式来进行返回的

• 所以我们必须区分开这两种情况，总不可能说数据没有就绪也算出错吧！

怎么区分出示读取出错 还是数据没就绪呢？

库函数、系统调用（本质也是库函数，C封装）会有一个全局变量errno：错误码

也有可能出现，某个进程接受到了某个信号导致提前唤醒！EINTR：系统调用被信号中断

进程阻塞在 read()
       ↓
突然收到信号
       ↓
执行信号处理函数
       ↓
read() 被提前打断
       ↓
返回 -1
errno = EINTR

else {
    //数据还没就绪
    if(errno == EAGAIN)
    {
        //操作被阻塞
        std::cout << "data is not ready" << std::endl;
    }
    else if (errno == EINTR)
    {
        std::cout << "read 被信号中断" << std::endl;
        continue;
    }
    else 
    {
        //读取失败
        std::cout << "read error" << errno << std::endl;
        std::cout << "read error" << strerror(errno) << std::endl;
    }
}

📢写在最后

接下来登场的是 epoll