linux网络编程--IO模型

阻塞式IO:
在一个进程发出IO请求后,进入阻塞状态,直到内核返回数据,才重新运行,如图:

linux网络编程--IO模型

代码:

server 端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main()  
{  
    int sockfd, new_fd;  
    int sin_size, numbytes;  
    struct sockaddr_in addr, cliaddr;  
      
    //创建socket  
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)  
    {  
        perror("createSocket");  
        return -1;  
    }  
      
    //初始化socket结构  
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));  
    addr.sin_family = AF_INET;  
    addr.sin_port = htons(7092);  
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
      
    //绑定套接口  
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("bind");  
        return -1;  
    }  
      
    //创建监听套接口  
    if(listen(sockfd,10)==-1)  
    {  
        perror("listen");  
        return -1;  
    }  
      
      
    printf("server is running!\n");  
      
    char buff[1024];  
    //等待连接  
    while(1)   
    {  
        sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);  
          
        //接受连接  
        if((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t*)&sin_size))==-1)  
        {  
            perror("accept");  
            return -1;  
        }  
          
        //生成一个子进程来完成和客户端的会话,父进程继续监听  
        if(!fork())  
        {  
            //读取客户端发来的信息  
            memset(buff,0,sizeof(buff));  
            if((numbytes = recv(new_fd,buff,sizeof(buff),0))==-1)  
            {  
                perror("recv");  
                return -1;  
            }  
            printf("buff=%s\n",buff);  
              
            //将从客户端接收到的信息再发回客户端  
            if(send(new_fd,buff,strlen(buff),0)==-1)  
            {  
                perror("send");  
            }  
      
            close(new_fd);  
            return 0;  
        }  
        //父进程关闭new_fd  
        close(new_fd);  
    }  
    close(sockfd);  
}

client端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main(int argc,char *argv[])  
{  
    if(argc!=3)  
    {  
        printf("%s: input IP & port\n",argv[0]);  
        return 1;  
    }  
    int sockfd,numbytes;  
    char buf[100] = "hello world";  
    struct hostent *he;  
    struct sockaddr_in their_addr;  
      
    //将基本名字和地址转换  
    he = gethostbyname(argv[1]);  
      
    //建立一个TCP套接口  
    if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(1);  
    }  
      
    //初始化结构体  
    their_addr.sin_family = AF_INET;  
    their_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);  
    bzero(&(their_addr.sin_zero),8);  
      
    //和服务器建立连接  
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("connect");  
        exit(1);  
    }  
      
    //向服务器发送字符串  
    if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0)==-1)  
    {  
        perror("send");  
        exit(1);  
    }  
    memset(buf,0,sizeof(buf));  
      
    //接受从服务器返回的信息  
    if((numbytes = recv(sockfd,buf,100,0))==-1)  
    {  
        perror("recv");  
        exit(1);  
    }  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}

无阻塞式IO:
在一个进程发出IO请求后,不阻塞,如果数据没有准备好,就直接返回错误码,如图:

linux网络编程--IO模型

可以通过fcntl控制socket描述符属性。
int flags;
flag=fcntl(sockfd,F_GETFL,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,flag|O_NONBLOCK)

非阻塞式I/O模型对4种I/O操作返回的错误
读操作:接收缓冲区无数据时返回EWOULDBLOCK
写操作:发送缓冲区无空间时返回EWOULDBLOCK;空间不够时部分拷贝,返回实际拷贝字节数
建立连接:启动3次握手,立刻返回错误EINPROGRESS;服务器客户端在同一主机上connect立即返回成功
接受连接:没有新连接返回EWOULDBLOCK

server端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
#include <fcntl.h>  
  
int main()  
{  
    int sockfd, new_fd;  
    int sin_size;  
    struct sockaddr_in addr, cliaddr;  
      
    //创建socket  
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)  
    {  
        perror("createSocket");  
        return -1;  
    }  
      
    //初始化socket结构  
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));  
    addr.sin_family = AF_INET;  
    addr.sin_port = htons(7092);  
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
      
    //绑定套接口  
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("bind");  
        return -1;  
    }  
      
    //创建监听套接口  
    if(listen(sockfd,10)==-1)  
    {  
        perror("listen");  
        return -1;  
    }  
      
    printf("server is running!\n");  
      
    char buff[1024];  
    //等待连接  
    while(1)   
    {  
        sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);  
          
        //接受连接  
        if((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t*)&sin_size))==-1)  
        {  
            perror("accept");  
            return -1;  
        }  
              
        //生成一个子进程来完成和客户端的会话,父进程继续监听  
        if(!fork())  
        {  
            //设置new_fd无阻塞属性  
            int flags;  
            if((flags=fcntl(new_fd, F_GETFL, 0))<0)    
            {  
                perror("fcntl F_GETFL");    
            }  
            flags |= O_NONBLOCK;    
            if(fcntl(new_fd, F_SETFL,flags)<0)    
            {  
                perror("fcntl F_SETFL");    
            }  
              
            //读取客户端发来的信息  
            memset(buff,0,sizeof(buff));  
            while(1)  
            {  
                if((recv(new_fd,buff,sizeof(buff),0)) < 0)  
                {  
                    if(errno==EWOULDBLOCK)  
                    {  
                        perror("recv error, wait....");  
                        sleep(1);  
                        continue;  
                    }  
                }  
                else  
                {  
                    printf("buff=%s\n",buff);  
                }     
                break;  
            }  
  
            //发送数据  
            while(1)  
            {  
                if(send(new_fd,buff,strlen(buff),0) < 0)  
                {  
                    if(errno==EWOULDBLOCK)  
                    {  
                        perror("send error, wait....");  
                        sleep(1);  
                        continue;  
                    }  
                }  
                else  
                {  
                    printf("buff=%s\n",buff);  
                }     
                break;  
            }  
      
            close(new_fd);  
            return 0;  
        }  
        //父进程关闭new_fd  
        close(new_fd);  
    }  
    close(sockfd);  
}

client端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main(int argc,char *argv[])  
{  
    if(argc!=3)  
    {  
        printf("%s: input IP & port\n",argv[0]);  
        return 1;  
    }  
    int sockfd,numbytes;  
    char buf[100] = "hello world";  
    struct hostent *he;  
    struct sockaddr_in their_addr;  
      
    //将基本名字和地址转换  
    he = gethostbyname(argv[1]);  
      
    //建立一个TCP套接口  
    if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(1);  
    }  
      
    //初始化结构体  
    their_addr.sin_family = AF_INET;  
    their_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);  
    bzero(&(their_addr.sin_zero),8);  
      
    //和服务器建立连接  
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("connect");  
        exit(1);  
    }  
  
    sleep(5);  
      
    //向服务器发送字符串  
    if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0)==-1)  
    {  
        perror("send");  
        exit(1);  
    }  
    memset(buf,0,sizeof(buf));  
      
      
    sleep(5);  
      
    //接受从服务器返回的信息  
    if((numbytes = recv(sockfd,buf,100,0))==-1)  
    {  
        perror("recv");  
        exit(1);  
    }  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}

IO复用:
IO复用阻塞在select、poll或epoll这样的系统调用上,通过这种方式,在不使用多线程的前提下,单个进程可以同时处理多个网络连接的IO。如图:

linux网络编程--IO模型

代码
sever端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/epoll.h>  
  
#define MAXEVENT 1024  
  
int create_server_socket(int& sockfd)  
{  
    struct sockaddr_in addr;  
      
    //创建socket  
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)  
    {  
        perror("createSocket");  
        return -1;  
    }  
      
    //初始化socket结构  
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));  
    addr.sin_family = AF_INET;  
    addr.sin_port = htons(7092);  
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
      
    //绑定套接口  
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("bind");  
        return -1;  
    }  
      
    //创建监听套接口  
    if(listen(sockfd,10)==-1)  
    {  
        perror("listen");  
        return -1;  
    }  
      
    return 0;     
}  
  
int set_socket_non_blocking(int fd)  
{  
    int flags, s;  
      
    flags = fcntl (fd, F_GETFL, 0);  
    if (flags == -1)  
    {  
        perror ("fcntl F_GETFL failed");  
        return -1;  
    }  
      
    flags |= O_NONBLOCK;  
    s = fcntl (fd, F_SETFL, flags);  
    if (s == -1)  
    {  
        perror ("fcntl F_SETFL failed");  
        return -1;  
    }  
      
    return 0;  
}  
  
int main()  
{  
    int sockfd, efd;  
    struct epoll_event event;  
    struct epoll_event *events;   
    int s;  
      
    if(create_server_socket(sockfd) != 0)  
    {  
        perror("create server sock failed\n");  
        return 1;  
    }  
    set_socket_non_blocking(sockfd);  
      
    printf("server is running!\n");  
  
    //创建一个epoll的句柄  
    //int epoll_create(int size)    
    //Since Linux 2.6.8, the size argument is unused. (The kernel dynamically sizes the required data structures without needing this initial hint.)  
    efd = epoll_create(MAXEVENT);  
    if (efd == -1)  
    {  
        perror ("epoll_create");  
        abort ();  
    }  
  
    //注册新事件到epoll efd  
    event.data.fd = sockfd;  
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
    s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);  
    if (s == -1)  
    {  
        perror ("epoll_ctl EPOLL_CTL_ADD failed");  
        abort ();  
    }  
      
    events = (epoll_event*)calloc(MAXEVENT, sizeof(event));  
      
    while (1)  
    {  
        int n, i;  
        n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENT, -1);  
        for (i = 0; i < n; i++)  
        {  
            //fd error  
            if ((events[i].events & EPOLLERR) ||  
                (events[i].events & EPOLLHUP) ||  
              (!(events[i].events & EPOLLIN)))  
            {  
                perror("epoll error\n");  
                close (events[i].data.fd);  
                continue;  
            }  
            //新连接  
            else if (sockfd == events[i].data.fd)  
            {  
                while (1)  
                {  
                    struct sockaddr in_addr;  
                    socklen_t in_len;  
                    int infd;  
                    char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];  
                      
                    //接受连接  
                    in_len = sizeof(in_addr);  
                    infd = accept(sockfd, &in_addr, &in_len);  
                    if (infd == -1)  
                    {  
                        if ((errno == EAGAIN) ||  
                          (errno == EWOULDBLOCK))  
                        {  
                            //已接受所有连接  
                            break;  
                        }  
                        else  
                        {  
                            perror ("accept");  
                            break;  
                        }  
                    }  
                      
                    s = getnameinfo (&in_addr, in_len,  
                                   hbuf, sizeof hbuf,  
                                   sbuf, sizeof sbuf,  
                                   NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);  
                    if (s == 0)  
                    {  
                      printf("Accepted connection on descriptor %d "  
                             "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);  
                    }  
                      
                    /* 设置新接受的socket连接无阻塞*/  
                    s = set_socket_non_blocking (infd);  
                    if (s == -1)  
                    {  
                    return 1;  
                    }  
                      
                    //注册新事件到epoll  
                    event.data.fd = infd;  
                    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
                    s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);  
                    if (s == -1)  
                    {  
                      perror ("epoll_ctl");  
                      return 1;  
                    }  
                }  
                continue;  
            }  
            //数据可读  
            else  
            {  
              int done = 0;  
              while (1)  
              {  
                  ssize_t count;  
                  char buf[512];  
                  count = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));  
                  if(count == -1)  
                  {  
                      //数据读完  
                      if (errno != EAGAIN)  
                      {  
                          perror ("read");  
                          done = 1;  
                      }  
                      break;  
                  }  
                  else if(count == 0)  
                  {  
                      /* End of file. The remote has closed the 
                         connection. */  
                      done = 1;  
                      break;  
                   }  
  
                  printf("recv: %s\n", buf);  
                }  
  
              if (done)  
              {  
                  printf ("Closed connection on descriptor %d\n", events[i].data.fd);  
                  close (events[i].data.fd);  
              }  
            }  
        }  
    }  
  
  free (events);  
  close(sockfd);  
  return 0;  
}

client端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main(int argc,char *argv[])  
{  
    if(argc!=3)  
    {  
        printf("%s: input IP & port\n",argv[0]);  
        return 1;  
    }  
    int sockfd,numbytes;  
    char buf[100] = "hello world";  
    struct hostent *he;  
    struct sockaddr_in their_addr;  
      
    //将基本名字和地址转换  
    he = gethostbyname(argv[1]);  
      
    //建立一个TCP套接口  
    if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(1);  
    }  
      
    //初始化结构体  
    their_addr.sin_family = AF_INET;  
    their_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);  
    bzero(&(their_addr.sin_zero),8);  
      
    //和服务器建立连接  
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("connect");  
        exit(1);  
    }  
  
      
    //向服务器发送字符串  
    while(1)  
    {  
        if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0)==-1)  
        {  
            perror("send");  
            exit(1);  
        }  
        sleep(2);  
    }  
    memset(buf,0,sizeof(buf));  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}

异步IO:
在一个进程发出IO请求后直接返回,内核在整个操作(包括将数据复制到进程缓冲区)完成后通知进程,如图:

linux网络编程--IO模型

代码
server端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <aio.h>  
#include <pthread.h>  
  
#define BUF_SIZE 1024  
  
  
void aio_completion_handler(sigval_t sigval);  
  
void setup_io(int fd,struct aiocb my_aiocb)  
{  
    //初始化AIO请求  
    bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  
    my_aiocb.aio_fildes = fd;  
    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);  
    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;  
    my_aiocb.aio_offset = 0;  
      
    //设置线程回调函数  
    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;  
    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;  
    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;  
    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;  
}  
  
//回调函数  
void aio_completion_handler(sigval_t sigval)  
{  
    struct aiocb *req;  
    int ret;  
      
    req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;  
      
    if (aio_error(req) == 0)   
    {  
        if((ret = aio_return(req)) > 0)  
        {  
            printf("Thread id %u recv:%s\n", (unsigned int)pthread_self(), (char*)req->aio_buf);  
        }  
    }  
  
    char* buf = (char*)req->aio_buf;  
      
    if(send(req->aio_fildes, buf, strlen(buf), 0) == -1)  
    {  
        perror("send");  
        return;  
    }  
  
    close(req->aio_fildes);  
  
    return;  
}  
  
int main()  
{  
    int sockfd;  
    int sin_size;  
    struct sockaddr_in addr, cliaddr;  
      
    //创建socket  
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)  
    {  
        perror("createSocket");  
        return -1;  
    }  
      
    //初始化socket结构  
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));  
    addr.sin_family = AF_INET;  
    addr.sin_port = htons(7092);  
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
      
    //绑定套接口  
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("bind");  
        return -1;  
    }  
      
    //创建监听套接口  
    if(listen(sockfd,10)==-1)  
    {  
        perror("listen");  
        return -1;  
    }  
      
      
    printf("server is running!\n");  
      
    //等待连接  
    while(1)   
    {  
        int new_fd;  
        struct aiocb my_aiocb;  
        sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);  
          
        //接受连接  
        if((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t*)&sin_size))==-1)  
        {  
            perror("accept");  
            return -1;  
        }  
  
        printf("Thread id %u accept connect, fd: %d\n", (unsigned int)pthread_self(), new_fd);  
          
        setup_io(new_fd, my_aiocb);  
        aio_read(&my_aiocb);  
    }  
    close(sockfd);  
}

client端:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main(int argc,char *argv[])  
{  
    if(argc!=3)  
    {  
        printf("%s: input IP & port\n",argv[0]);  
        return 1;  
    }  
    int sockfd,numbytes;  
    char buf[100] = "hello world";  
    struct hostent *he;  
    struct sockaddr_in their_addr;  
      
    //将基本名字和地址转换  
    he = gethostbyname(argv[1]);  
      
    //建立一个TCP套接口  
    if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
    {  
        perror("socket");  
        exit(1);  
    }  
      
    //初始化结构体  
    their_addr.sin_family = AF_INET;  
    their_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);  
    bzero(&(their_addr.sin_zero),8);  
      
    //和服务器建立连接  
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("connect");  
        exit(1);  
    }  
  
      
    //向服务器发送字符串  
    if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0)==-1)  
    {  
        perror("send");  
        exit(1);  
    }  
   
        //接收数据  
    if((numbytes = recv(sockfd, buf, 100, 0)) == -1)  
    {  
        perror("recv");  
        return 1;  
    }  
  
    printf("recv: %s\n", buf);  
      
    close(sockfd);  
    return 0;  
}

信号驱动IO:
使用信号驱动I/O时,当网络套接字可读后,内核通过发送SIGIO信号通知应用进程,于是应用可以开始读取数据。如图:
linux网络编程--IO模型
为了让套接字描述符可以工作于信号驱动I/O模式,应用进程必须完成如下三步设置:
1.注册SIGIO信号处理程序。(安装信号处理器)
2.使用fcntl的F_SETOWN命令,设置套接字所有者。(设置套接字的所有者)
3.使用fcntl的F_SETFL命令,置O_ASYNC标志,允许套接字信号驱动I/O。(允许这个套接字进行信号输入输出)
注意,必须保证在设置套接字所有者之前,向系统注册信号处理程序,否则就有可能在fcntl调用后,信号处理程序注册前内核向应用交付SIGIO信号,导致应用丢失此信号。

你可能感兴趣的:(linux网络编程--IO模型)