UNIX网络编程——I/O复用：select和poll函数

     我们看到TCP客户同时处理两个输入：标准输入和TCP套接字。我们遇到的问题是就在客户阻塞于（标准输入上）fgets调用，服务器进程会被杀死。服务器TCP虽然正确的给客户TCP发送了一个FIN，但是既然客户进程正阻塞于从标准输入读入的过程，它将看不到这个EOF，直到从套接字读时为止（可能额已过了很长时间）。这样的进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪（也就是说输入已准备好被读入，或者描述符已能承接更多的输出），它就通知进程。这个能力称为I/O复用，是由select和poll这两个函数支持的。

      I/O复用典型使用在下列网络应用场合：

• 当客户处理多个描述符（通常是交互式输入和网络套接字）时，必须使用I/O复用；
• 如果一个TCP服务器即要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般使用I/O复用；
• 一个客户同时处理多个套接字时可能的，不过比较少见；
• 如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般就要使用I/O复用。
• 如果一个服务器要处理多个服务或者多个协议，一般就要使用I/O复用。

     I/O复用并非只限于网络编程，许多重要的应用程序也需要使用这项技术。

 

UNIX下可用的5种I/O模型的基本区别：

1.阻塞式I/O；

2.非阻塞式I/O；

3.I/O复用（select和poll）；

4.信号驱动式I/O（SIGIO）；

5.异步I/O（POSIX的aio_系列函数）

 

一个输入操作通常包括两个不同的阶段：

（1）等待数据准备好；

（2）从内核向进城复制数据。

     对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

1.阻塞式I/O模型

                

     我们在前面所说的I/O模型都是阻塞I/O，即调用recv系统调用，如果没有数据则阻塞等待，当数据到来则将数据从内核空间（套接口缓冲区）拷贝到用户空间（recv函数提供的buf），然后recv返回，进行数据处理。

2.非阻塞式I/O模型

       进程把一个套接字设置成非阻塞。前三次调用recvfrom时没有数据可返回，因此内核转而立即返回一个EWOULDBLOCK错误。第四次调用recvfrom时已有一个数据报准备好，它被复制到应用进程缓冲区，于是recvfrom成功返回。我们接着处理数据。

      当一个应用进程像这样对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮询，应用进程持续轮询内核，以查看某个操作是否就绪，这么做往往耗费大量的CPU 时间。

         

     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，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。

3.I/O复用模型

    我们调用select或poll阻塞在这两个系统调用中的某一个之上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。

              

     我们阻塞于select调用，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，我们调用recvfrom把所读数据报复制到应用进程缓冲区。

4.信号驱动I/O模型

     我们可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们，我们称这种模型为信号驱动式I/O。

    

     我们首先开启套接字的信号驱动式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，也就是说它没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为进程产生一个SIGIO信号。我们随后即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。

5.异步I/O模型

       一般来说，这些函数的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到我们自己的缓冲区）完成后通知我们。这种模型与信号驱动式模型的主要区别是：信号驱动式I/O是由内核通知我们何时启动一个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。

               

     我们调用aio_read函数（POSIX异步I/O函数以aio_或lio_开头），给内核传递描述符，缓冲区指针，缓冲区大小（read相同的三个参数）和文件偏移（与lseek类似），并告诉内核当整个操作完成时如何通知我们。该系统调用立即返回，而且在等待I/O完成期间，我们的进程不被阻塞。

各种I/O模型的比较：

        前四种模型的主要区别在于第一阶段，因为他们的第二阶段是一样的：在数据从内核复制到调用者的缓冲区期间，进程阻塞于recvfrom调用。相反，异步I/O模型在这两个都要处理，从而不同于其他4种模型。

同步I/O和异步I/O对比：

POSIX把这两个术语定义为：

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。

  

     根据上述定义，我们的前4种模型--------------阻塞式I/O模型，非阻塞式I/O模型，I/O复用模型和信号驱动式I/O模型都是同步I/O模型，因为其中真正的I/O操作（recvfrom）将阻塞进程。只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配。