深入linux网络编程（一）：同步IO

作者：[e-mail] 新浪微博@孙雨润 新浪博客 CSDN博客日期：2012年11月16日

1. IO模型

IO分为同步、异步，阻塞、非阻塞，两两组合成4种模型。

2. 同步阻塞IO

2.1 阻塞的原因

一个常见的问题是IO对请求没有准备好：例如调用读请求的时候可能设备上没有数据，但是将来可能有；调用写请求时可能舍妹没有准备好接收数据，一会儿可能buffer清空就好了。调用过程一般不去理会这些问题，如果程序员仅仅要求在请求返回时工作做好，那么驱动设备就应该阻塞这个请求的进程，使他陷入睡眠状态。

2.2 什么是睡眠

当一个进程处于睡眠态， 意味着它被移除调度队列，直到这个状态被改变之前，CPU都不会处理这个进程。有几个注意事项：

• 不要在原子上下文中sleep
• 无法保证精确的睡眠时间
• 只有在确定其他进程/内核会唤醒自己时，才能睡眠

2.3 同步阻塞IO的编程模型

3. 同步阻塞IO的网络编程代码示例

/* A simple server in the internet domain using TCP
   The port number is passed as an argument */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

void error(const char *msg)
{
    perror(msg);
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
     int sockfd, newsockfd, portno;
     socklen_t clilen;
     char buffer[256];
     struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
     int n;
     if (argc < 2) {
         fprintf(stderr,"ERROR, no port provided\n");
         exit(1);
     }
     sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     if (sockfd < 0) 
        error("ERROR opening socket");
     bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
     portno = atoi(argv[1]);
     serv_addr.sin_family = AF_INET;
     serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
     serv_addr.sin_port = htons(portno);
     if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr,
              sizeof(serv_addr)) < 0) 
              error("ERROR on binding");
     listen(sockfd,5);
     clilen = sizeof(cli_addr);
     newsockfd = accept(sockfd, 
                 (struct sockaddr *) &cli_addr, 
                 &clilen);
     if (newsockfd < 0) 
          error("ERROR on accept");
     bzero(buffer,256);
     n = read(newsockfd,buffer,255);
     if (n < 0) error("ERROR reading from socket");
     printf("Here is the message: %s\n",buffer);
     n = write(newsockfd,"I got your message",18);
     if (n < 0) error("ERROR writing to socket");
     close(newsockfd);
     close(sockfd);
     return 0; 
}

4. API解释

4.1 sockaddr_in

这是socket地址的基本数据结构：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

一个IP socket地址被定义为一个IP地址和16位的端口，基本IP协议不支持端口号，而是由上层协议udp/tcp来实现。

4.2 socket函数

int sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);

• socket函数用来创建一个socket文件描述符。

• 第一个参数是socket协议族，包括AF_INET, AF_IPX, AF_PACKET等，一般选择AF_INET，具体含义请参考文档。

• 第二个参数是socket类型，有SOCK_STREAM(TCP)和SOCK_DGRAM(UDP等等。除此之外，这个参数还有第二层含义，来描述socket的其他表现：

  SOCK_NONBLOCK   // 阻塞非阻塞(后面详细解释)
  SOCK_CLOEXEC    // 当开辟其他进程调用exec()族函数时，调用前为其释放对应的文件描述符。（跟网络编程关系不大）
  

• 第三个参数protocol为socket指定了协议，正常情况下对于一个给定的协议族，只有一个支持的协议，所以填0即可。特殊情况参见文档。

4.3 bind函数

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char        sa_data[14];
}

• 当socket通过socket函数创建好之后，他存在在一个地址协议族的名字空间中，但是没有为他分配地址，bind就是将一个地址分配给socket描述符。

• 这里sa_data没有用，完全是为了将sockaddr_in强制转换时内存大小一样，不会报错。

错误码见文档。

4.4 listen函数

int listen(int sockfd, int backlog);

• listen函数将这个socket标记为被动socket，意思是可以用accept来接收别人的连接请求。

• backlog参数指定了等待连接队列的最大长度，当队列满了之后，新的客户端连接会收到一个ECONNREFUSED连接错误。

4.5 accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• accept函数用在面向连接的socket类型，例如SOCK_STREAM, SOCK_SEQPACKET，它会将请求等待队列的第一个连接请求提取出来，创建一个新的连接socket，返回这个socket的fd。

• 第一个参数sockfd就是刚刚使用socket函数创建、使用bind绑定本地地址、并使用listen标记为被动的那个sockfd。

• 第二个参数sockaddr指针指向一个客户端地址的结构体。

• 第三个参数addrlen是一个传出的参数，必须先用sizeof(sockaddr)初始化，函数返回时会将其赋值成客户端地址这个结构体的真实大小。如果客户端地址结构体的大小大于sizeof(sockaddr)，那么会被阶段，并在addrlen中带回真正的大小。

如果连接等待队列中没有连接请求，默认情况下accept()会阻塞，直到有新的客户端连接出现；如果对socket指定了非阻塞，那么会返回错误码EAGAIN 或者EWOULDBLOCK

4.6 read/recv与write/send

int recv(int sockfd,void *buf,int len,int flags);
int send(int sockfd,void *buf,int len,int flags);

注意到上边代码中使用了read，实际上也可以使用recv，后者提供了第四个参数flag，用来标记一些socket的状态：

MSG_DONTROUTE：不查找路由表
MSG_OOB：接受或发送带外数据
MSG_PEEK：查看数据,并不从系统缓冲区移走数据
MSG_WAITALL ：等待任何数据

其中：

• MSG_DONTROUTE：是send函数使用的标志.这个标志告诉IP协议.目的主机在本地网络上面,没有必要查找路由表.这个标志一般用网络诊断和路由程式里面。
• MSG_OOB：表示能够接收和发送带外的数据.关于带外数据我们以后会解释的.
• MSG_PEEK：是recv函数的使用标志，表示只是从系统缓冲区中读取内容，而不清除系统缓冲区的内容。这样下次读的时候,仍然是相同的内容。一般在有多个进程读写数据时能够使用这个标志。
• MSG_WAITALL：是recv函数的使用标志，表示等到任何的信息到达时才返回。使用这个标志的时候recv会一直阻塞，直到指定的条件满足，或是发生了错误。 1)当读到了指定的字节时，函数正常返回，返回值等于len 2)当读到了文档的结尾时,函数正常返回.返回值小于len 3)当操作发生错误时,返回-1,且配置错误为相应的错误号(errno).

write/send的区别同理。

5. 同步非阻塞IO

同步非阻塞IO是刚刚同步阻塞IO的一个聊胜于无的变种，设备以非阻塞方式打开，IO操作不成功会返回一个错误代码。关键问题是我们无法知道设备何时准备就绪能够操作成功，因此大多数情况不得不在循环中一遍一遍查询。

这种模式极为少用。