【Linux网络-五种IO模型与阻塞IO】

一、引入

网络通信的本质就是进程间的通信，进程间通信的本质就是IO（Input，Output）

I/O（input/output）也就是输入和输出，在冯诺依曼体系结构当中，将数据从输入设备拷贝到内存就叫作输入，将数据从内存拷贝到输出设备就叫作输出

站在进程的角度，站在网络的角度

• 如何理解IO？

IO = 等 + 拷贝，我们在使用read/recv/send/write等，有数据的时候就拷贝到自己的或者对应的缓冲区，没有数据的时候，就进行阻塞等待或者非阻塞等待

• 什么叫做高效的IO？

本质就是单位时间内，减少等的比重

二、五种IO模型

1.例子引入

现在我们来谈谈钓鱼，钓鱼 = 等 + 钓，IO也是等 + 拷贝，我们现在借着钓鱼的例子来理解五种IO模型

• 现在有5个人去钓鱼
• 张三钓鱼一直不动（别人与张三说话，张三也不理对方），眼睛一直盯着鱼漂，鱼漂动了，就拉起鱼竿
• 李四钓鱼一直在动，没事就刷刷抖音，和张三说说话（张三不理他），顺便检测鱼漂，鱼漂动了，就拉起鱼竿
• 王五钓鱼在鱼竿上挂了铃铛，鱼一旦上钩，铃铛就会响，就拉起鱼竿
• 赵六钓鱼买了很多鱼竿，把每根鱼竿插在岸边，一直在岸边跑来跑去，任何一个鱼竿就绪，就拉起鱼竿
• 田七钓鱼带来一个司机小王，但田七临时有事离开钓鱼塘，田七对小王说：渔具什么我全部给你准备好了，我在给你一个水桶，等你把水桶装满，你在打电话给我，然后回来；田七没有参与调用，只负责发起钓鱼

在IO中，这里的人可以看作系统调用、鱼竿就是sockfd，钓鱼塘是系统内部，鱼就是数据，鱼漂浮动就是数据就绪，钓就是发生拷贝

• 张三，李四和王五的钓鱼效率本质是一样的吗？

是的，因为他们钓鱼方式都是一样的，都是先等鱼上钩，然后再将鱼钓上来

其次，他们每个人都只拿一根鱼竿，在等待鱼的上钩，当河里鱼来咬鱼钩的时候，这条鱼咬哪一个鱼钩的概率是相同的

• 谁的效率更高？

赵六，因为赵六减少了等待概率的发生，增加了拷贝的时间，所以他的效率是最高的

赵六的效率之所以高，是因为赵六一次等待多个鱼竿的鱼上钩，可以将“等”的时间进行重叠

• 如何看待田七的钓鱼方式？

田七没有参与调用，只负责发起钓鱼；田七没有参与等+拷贝的任意一项，而真正钓鱼的是小王，在小王钓鱼的期间，田七可以干任意的事情，如果将钓鱼看作是一种 IO 的话，那么田七的这种钓鱼方式就叫作异步 IO。

• 概念整理

张三：阻塞IO

李四：非阻塞IO

王五：信号驱动IO

赵六：多路复用/多路转接IO

田七+小王：异步IO

阻塞IO与非阻塞IO的本质就是等的方式不同

【例子】在之前的echo例子中，键盘向OS输入，实际将键盘输入的数据放入到OS内部的输入缓冲区，当进程需要这个数据的时候，将输入缓冲区的内容拷贝到进程，进程执行结果后将数据拷贝到OS内部的输出缓冲区，显示器从输出缓冲区拷贝内容，最终就把结果回显给我们

IO = 等 + 拷贝

多路转接的作用就是为了等待多个fd，等待该fd上面的新事件（OS底层有数据了，读时间就绪，或者OS底层有空间了，写事件就绪）就绪，通知程序员，事件已经就绪，可以进行IO拷贝了

2.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是最常见的IO模型

应用进程通过recvfrom函数从某个套接字上读取数据时，如果底层的数据没有准备好，那么这个进程就一直在这个地方等待着，一旦数据就绪后，才会将数据从内核拷贝到用户空间，最后recvfrom才会返回

这种以阻塞方式进行IO操作的进程或线程，在“等”和“拷贝”期间都不会返回，在用户看来就是阻塞了，因此被称为阻塞IO

3.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文件描述符，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

当调用recvfrom函数以非阻塞方式从某个套接字上读取数据时，如果底层数据没有准备好，那么recvfrom就会立马错误返回，而不是让该进程进行阻塞等待

因为没有读取数据，所以该进程或线程后续还需要继续调用recvfrom函数，检测底层数据是否就绪，如果没有就继续错误返回，直到监测到底层有数据后，再将数据从内核拷贝到用户空间，再进行成功返回

阻塞与非阻塞的区别就是，非阻塞可以去做其他事情，而阻塞就一直在等

fcntl

在Linux操作系统中，fcntl() 函数是一个用于文件控制的系统调用。它允许你以不同的方式操作打开的文件描述符。这个函数接受三个参数：

fd：要操作的文件描述符。

cmd：指定要执行的文件控制命令。

...：根据 cmd 命令的不同，可能需要传递额外的参数。

cmd 参数值	用途
F_DUPFD	复制文件描述符，返回一个新的文件描述符，它是当前最低可用文件描述符。
F_GETFD	获取文件描述符的close-on-exec标志。
F_SETFD	设置文件描述符的close-on-exec标志。
F_GETFL	获取文件状态标志和访问模式（如O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR）。
F_SETFL	设置文件状态标志，如O_APPEND, O_NONBLOCK等。
F_GETLK	获取记录锁。
F_SETLK	设置或释放记录锁（非阻塞）。
F_SETLKW	设置或释放记录锁（阻塞）。

将指定的文件描述符设置为非阻塞模式

void SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = ::fcntl(fd, F_GETFL);
    if(fl < 0)
    {
        std::cout << "fcntl error" << std::endl;
        return;
    }
    ::fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

下面代码演示了非阻塞能够收到EWOULDBLOCK返回

并且也能区分error是出错了 还是因为非阻塞返回的

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include "Comm.hpp"

#include <sys/select.h>

int main()
{
    char buffer[1024];
    SetNonBlock(0);
    while(true)
    {
        // printf("Enter# ");
        // fflush(stdout);
        ssize_t n = ::read(0, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            printf("echo# %s", buffer);
        }
        else if(n == 0)  // ctrl + d
        {
            printf("read done\n");
            break;
        }
        else
        {
            // 如果是非阻塞，底层数据没有就绪，IO接口，会以出错形式返回
            // 所以，如何区分  底层不就绪  vs   真的出错了？ 根据errno错误码

            if(errno == EWOULDBLOCK)
            {
                sleep(1);
                std::cout << "底层数据没有就绪，开始轮询检测" << std::endl;
                std::cout << "可以做其他事情" << std::endl;
                // do other thing
                continue;
            }
            else if(errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                perror("read");
                break;
            }
            // perror("read\n"); 
            // printf("n=%ld\n", n);
            // //底层数据没有就绪： errno 会被设置成为 EWOULDBLOCK EAGAIN
            // printf("errno=%d\n", errno); 
            // break;
        }
    }

    return 0;
}

测试结果：
当我们输入数据，而不按回车的时候，底层仍然在轮询检测，当我们输入回车的时候；echo出来的内容与我们输入的内容一致

4.信号驱动

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

应用程序通过系统调用sigaction来设置一个SIGIO信号的处理函数。这个处理函数将在接收到SIGIO信号时被触发。内核处于等待状态，直到数据准备好。数据准备好时，内核会发出一个SIGIO信号通知应用程序。应用程序捕获到SIGIO信号后，它会执行recvfrom系统调用来从网络接收数据，recvfrom系统调用完成后，内核会将控制权交还给应用程序，同时传递回成功的指示，数据报从内核空间复制到用户空间，应用程序现在可以在用户空间内处理收到的数据报了

如果数据正在从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区过程中，那么在此期间，应用程序可能会暂时阻塞，直到数据拷贝完成。

信号的产生是异步的，但信号驱动 IO 是同步 IO 的一种。

因为它依然参与了等 + 拷贝

5.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文件描述符的就绪状态

使用select最主要的目的：将等 + 拷贝两个操作分开。select专门负责等，recvfrom负责拷贝

• 应用程序通过调用select函数来阻塞自己，等待多个套接字中的任何一个变为可读状态。这意味着应用程序会暂停执行，直到至少一个套接字准备好读取数据。
• 当操作系统检测到某个套接字的数据已经准备好可以读取时，它会通知应用程序，并通过select函数返回这个信息。
• 应用程序收到操作系统的通知后，它可以通过recvfrom系统调用来实际从套接字中读取数据。这个调用会将数据从网络层复制到应用程序指定的缓冲区中。
• 内核负责管理数据的接收、存储以及最终传递给应用程序的过程。具体来说，当数据到达内核的网络堆栈时，内核会将其暂存起来，然后根据应用程序的要求进行相应的处理。
• 数据被内核成功接收并准备好供应用程序读取的状态。
• 内核将数据从其内部缓存（通常称为“内核空间”）拷贝到应用程序分配的用户空间内存区域
• 数据拷贝完成后，应用程序就可以访问这些数据并进行进一步的处理了。

因为这些多路转接接口是一次 “等” 多个文件描述符的，因此能将 “等” 的时间重叠，数据就绪后再调用对应的 recvfrom 等函数进行数据的拷贝，此时这些函数就能够直接进行拷贝，而不需要 “等” 了

6.异步IO

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）。

应用进程调用aio_read函数发起一个异步读操作。内核检查数据是否准备好供读取（如果数据未准备好，内核会等待直到数据准备好；一旦数据准备好，内核会将数据拷贝到用户空间缓冲区中）当数据被成功拷贝到用户空间时，内核通知应用程序数据已经可用，应用程序可以继续执行其他任务，而不需要等待I/O操作的完成，当I/O操作完成后，内核通过信号或回调函数通知应用程序。

7.小结

任何IO过程中，都包含两个步骤，第一个是等待，第二是拷贝，而且在实际的应用场景中，等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间。让IO更高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量少

三、高级IO重要概念

1.同步通信 VS 异步通信（Synchronous Communication / Asynchronous Communication）

同步和异步关注的是消息通信机制。

• 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。

另外，我们回忆在讲多进程多线程的时候，也提到同步和互斥，这里的同步通信和进程之间的同步是完全不想干的概念

• 进程 / 线程同步：指的是在保证数据安全的前提下，让进程/线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，谈论的是进程/线程间的一种工作关系。
• 同步 IO：指的是进程/线程与操作系统之间的关系，谈论的是进程/线程是否需要主动参与 IO 过程。

注意：尤其是在访问临界资源的时候，一定要弄清楚这个 “同步”，是同步通信异步通信的同步，还是同步与互斥的同步。

2.阻塞 VS 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
• 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

3.其他高级 IO

非阻塞 IO、 纪录锁、系统 V 流机制、 I/O 多路转接（也叫 I/O 多路复用）， readv 和 writev 函数以及存储映射 IO（ mmap ），这些统称为高级 IO。