socket阻塞与非阻塞,同步与异步、I/O模型

发布时间:2017-1-20 15:44:15 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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转自:http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390 socket阻塞与非阻塞,同步与异步 作者:huangguisu 1. 概念理解      在进行网络编程时,我们常常见到同步(Sync)/异步(Async),阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四种调用方式: 同步:       所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回。也就是必须一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事。 例如普通B/S模式(同步):提交请求->等待服务器处理->处理完毕返回 这个期间客户端浏览器不能干任何事 异步:       异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。      例如 ajax请求(异步): 请求通过事件触发->服务器处理(这是浏览器仍然可以作其他事情)->处理完毕 阻塞      阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起(线程进入非可执行状态,在这个状态下,cpu不会给线程分配时间片,即线程暂停运行)。函数只有在得到结果之后才会返回。      有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来,实际上他是不同的。对于同步调用来说,很多时候当前线程还是激活的,只是从逻辑上当前函数没有返回而已。 例如,我们在socket中调用recv函数,如果缓冲区中没有数据,这个函数就会一直等待,直到有数据才返回。而此时,当前线程还会继续处理各种各样的消息。 非阻塞       非阻塞和阻塞的概念相对应,指在不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。 对象的阻塞模式和阻塞函数调用 对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性,但是并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式,我们可以通过一定的API去轮询状 态,在适当的时候调用阻塞函数,就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象,调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select就是这样的一个例子。   1. 同步,就是我调用一个功能,该功能没有结束前,我死等结果。 2. 异步,就是我调用一个功能,不需要知道该功能结果,该功能有结果后通知我(回调通知) 3. 阻塞,      就是调用我(函数),我(函数)没有接收完数据或者没有得到结果之前,我不会返回。 4. 非阻塞,  就是调用我(函数),我(函数)立即返回,通过select通知调用者 同步IO和异步IO的区别就在于:数据拷贝的时候进程是否阻塞! 阻塞IO和非阻塞IO的区别就在于:应用程序的调用是否立即返回! 对于举个简单c/s 模式: 同步:提交请求->等待服务器处理->处理完毕返回这个期间客户端浏览器不能干任何事 异步:请求通过事件触发->服务器处理(这是浏览器仍然可以作其他事情)->处理完毕 同步和异步都只针对于本机SOCKET而言的。 同步和异步,阻塞和非阻塞,有些混用,其实它们完全不是一回事,而且它们修饰的对象也不相同。 阻塞和非阻塞是指当进程访问的数据如果尚未就绪,进程是否需要等待,简单说这相当于函数内部的实现区别,也就是未就绪时是直接返回还是等待就绪; 而同步和异步是指访问数据的机制,同步一般指主动请求并等待I/O操作完毕的方式,当数据就绪后在读写的时候必须阻塞(区别就绪与读写二个阶段,同步的读写必须阻塞),异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务,随后等待I/O,操作完毕的通知,这可以使进程在数据读写时也不阻塞。(等待"通知") 1. Linux下的五种I/O模型 1)阻塞I/O(blocking I/O) 2)非阻塞I/O (nonblocking I/O) 3) I/O复用(select 和poll) (I/O multiplexing) 4)信号驱动I/O (signal driven I/O (SIGIO)) 5)异步I/O (asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)) 前四种都是同步,只有最后一种才是异步IO。 阻塞I/O模型:         简介:进程会一直阻塞,直到数据拷贝完成      应用程序调用一个IO函数,导致应用程序阻塞,等待数据准备好。 如果数据没有准备好,一直等待….数据准备好了,从内核拷贝到用户空间,IO函数返回成功指示。 阻塞I/O模型图:在调用recv()/recvfrom()函数时,发生在内核中等待数据和复制数据的过程。     当调用recv()函数时,系统首先查是否有准备好的数据。如果数据没有准备好,那么系统就处于等待状态。当数据准备好后,将数据从系统缓冲区复制到用户空间,然后该函数返回。在套接应用程序中,当调用recv()函数时,未必用户空间就已经存在数据,那么此时recv()函数就会处于等待状态。      当使用socket()函数和WSASocket()函数创建套接字时,默认的套接字都是阻塞的。这意味着当调用Windows Sockets API不能立即完成时,线程处于等待状态,直到操作完成。     并不是所有Windows Sockets API以阻塞套接字为参数调用都会发生阻塞。例如,以阻塞模式的套接字为参数调用bind()、listen()函数时,函数会立即返回。将可能阻塞套接字的Windows Sockets API调用分为以下四种:     1.输入操作: recv()、recvfrom()、WSARecv()和WSARecvfrom()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数接收数据。如果此时套接字缓冲区内没有数据可读,则调用线程在数据到来前一直睡眠。     2.输出操作: send()、sendto()、WSASend()和WSASendto()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数发送数据。如果套接字缓冲区没有可用空间,线程会一直睡眠,直到有空间。     3.接受连接:accept()和WSAAcept()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数,等待接受对方的连接请求。如果此时没有连接请求,线程就会进入睡眠状态。    4.外出连接:connect()和WSAConnect()函数。对于TCP连接,客户端以阻塞套接字为参数,调用该函数向服务器发起连接。该函数在收到服务器的应答前,不会返回。这意味着TCP连接总会等待至少到服务器的一次往返时间。   使用阻塞模式的套接字,开发网络程序比较简单,容易实现。当希望能够立即发送和接收数据,且处理的套接字数量比较少的情况下,使用阻塞模式来开发网络程序比较合适。     阻塞模式套接字的不足表现为,在大量建立好的套接字线程之间进行通信时比较困难。当使用“生产者-消费者”模型开发网络程序时,为每个套接字都分别分配一个读线程、一个处理数据线程和一个用于同步的事件,那么这样无疑加大系统的开销。其最大的缺点是当希望同时处理大量套接字时,将无从下手,其扩展性很差 非阻塞IO模型         简介:非阻塞IO通过进程反复调用IO函数(多次系统调用,并马上返回);在数据拷贝的过程中,进程是阻塞的;                我们把一个SOCKET接口设置为非阻塞就是告诉内核,当所请求的I/O操作无法完成时,不要将进程睡眠,而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好,如果没有准备好,继续测试,直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中,会大量的占用CPU的时间。     把SOCKET设置为非阻塞模式,即通知系统内核:在调用Windows Sockets API时,不要让线程睡眠,而应该让函数立即返回。在返回时,该函数返回一个错误代码。图所示,一个非阻塞模式套接字多次调用recv()函数的过程。前三次调用recv()函数时,内核数据还没有准备好。因此,该函数立即返回WSAEWOULDBLOCK错误代码。第四次调用recv()函数时,数据已经准备好,被复制到应用程序的缓冲区中,recv()函数返回成功指示,应用程序开始处理数据。      当使用socket()函数和WSASocket()函数创建套接字时,默认都是阻塞的。在创建套接字之后,通过调用ioctlsocket()函数,将该套接字设置为非阻塞模式。Linux下的函数是:fcntl().     套接字设置为非阻塞模式后,在调用Windows Sockets API函数时,调用函数会立即返回。大多数情况下,这些函数调用都会调用“失败”,并返回WSAEWOULDBLOCK错误代码。说明请求的操作在调用期间内没有时间完成。通常,应用程序需要重复调用该函数,直到获得成功返回代码。     需要说明的是并非所有的Windows Sockets API在非阻塞模式下调用,都会返回WSAEWOULDBLOCK错误。例如,以非阻塞模式的套接字为参数调用bind()函数时,就不会返回该错误代码。当然,在调用WSAStartup()函数时更不会返回该错误代码,因为该函数是应用程序第一调用的函数,当然不会返回这样的错误代码。     要将套接字设置为非阻塞模式,除了使用ioctlsocket()函数之外,还可以使用WSAAsyncselect()和WSAEventselect()函数。当调用该函数时,套接字会自动地设置为非阻塞方式。   由于使用非阻塞套接字在调用函数时,会经常返回WSAEWOULDBLOCK错误。所以在任何时候,都应仔细检查返回代码并作好对“失败”的准备。应用程序连续不断地调用这个函数,直到它返回成功指示为止。上面的程序清单中,在While循环体内不断地调用recv()函数,以读入1024个字节的数据。这种做法很浪费系统资源。     要完成这样的操作,有人使用MSG_PEEK标志调用recv()函数查看缓冲区中是否有数据可读。同样,这种方法也不好。因为该做法对系统造成的开销是很大的,并且应用程序至少要调用recv()函数两次,才能实际地读入数据。较好的做法是,使用套接字的“I/O模型”来判断非阻塞套接字是否可读可写。     非阻塞模式套接字与阻塞模式套接字相比,不容易使用。使用非阻塞模式套接字,需要编写更多的代码,以便在每个Windows Sockets API函数调用中,对收到的WSAEWOULDBLOCK错误进行处理。因此,非阻塞套接字便显得有些难于使用。     但是,非阻塞套接字在控制建立的多个连接,在数据的收发量不均,时间不定时,明显具有优势。这种套接字在使用上存在一定难度,但只要排除了这些困难,它在功能上还是非常强大的。通常情况下,可考虑使用套接字的“I/O模型”,它有助于应用程序通过异步方式,同时对一个或多个套接字的通信加以管理。 IO复用模型:              简介:主要是select和epoll;对一个IO端口,两次调用,两次返回,比阻塞IO并没有什么优越性;关键是能实现同时对多个IO端口进行监听;       I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数,这几个函数也会使进程阻塞,但是和阻塞I/O所不同的的,这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作,多个写操作的I/O函数进行检测,直到有数据可读或可写时,才真正调用I/O操作函数。 信号驱动IO     简介:两次调用,两次返回;     首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时,进程会收到一个SIGIO信号,可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。 异步IO模型          简介:数据拷贝的时候进程无需阻塞。      当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作 同步IO引起进程阻塞,直至IO操作完成。 异步IO不会引起进程阻塞。 IO复用是先通过select调用阻塞。 5个I/O模型的比较: 1. select、poll、epoll简介 epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持,其中epoll是Linux所特有,而select则应该是POSIX所规定,一般操作系统均有实现 select: select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是: 1、 单个进程可监视的fd数量被限制,即能监听端口的大小有限。       一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048. 2、 对socket进行扫描时是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低:        当套接字比较多的时候,每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数,当他们活跃时,自动完成相关操作,那就避免了轮询,这正是epoll与kqueue做的。 3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大 poll: poll本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。 它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的,但是同样有一个缺点: 1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。                                                                                                                                      2、poll还有一个特点是“水平触发”,如果报告了fd后,没有被处理,那么下次poll时会再次报告该fd。 epoll: epoll支持水平触发和边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次。还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知 epoll的优点: 1、没有最大并发连接的限制,能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口); 2、效率提升,不是轮询的方式,不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数;       即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。 3、 内存拷贝,利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即epoll使用mmap减少复制开销。 select、poll、epoll 区别总结: 1、支持一个进程所能打开的最大连接数 select 单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是32*32,同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。 poll poll本质上和select没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的 epoll 虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接 2、FD剧增后带来的IO效率问题 select 因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。 poll 同上 epoll 因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的,只有活跃的socket才会主动调用callback,所以在活跃socket较少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。 3、 消息传递方式 select 内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作 poll 同上 epoll epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。 总结: 综上,在选择select,poll,epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特点。 1、表面上看epoll的性能最好,但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下,select和poll的性能可能比epoll好,毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。 2、select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的,视情况而定,也可通过良好的设计改善

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