幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

栏目: Linux · 发布时间: 6年前

内容简介：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；

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：

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

/*
 * \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;
}

* \brief

* tcp client

#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;

}

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：

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

/*
 * \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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* \brief

* tcp client

#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;

}

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：

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

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:

/*
 * \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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* \brief

* tcp client

#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;

}

perl实现:

#! /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();

#! /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。

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

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：

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

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。

/*
 * \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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* \brief

* tcp client

#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;

}

server端程序:

/*
 * \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;                                                                  
}

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* \brief

* tcp server

#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：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

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：

幽默讲解 Linux 的 Socket IO 模型

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。

原文出处： andersonyan

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