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分类: BSD

2013-10-29 14:05:32

原文地址:unix的5种i/o模型 作者:Arthursky

Unix下分5种基本的I/O模型:
1.阻塞I/O
2.非阻塞I/O
3.I/O复用(select和poll)
4.信号驱动I/O(SIGIO)
5.异步I/O(POSIX.1的aio_系列函数)
Unix中一个输入操作一般有两个不同的阶段:
1.等待数据准备好。
2.从内核到进程拷贝数据。
对于一个sockt上的输入操作,第一步一般是等待数据到达网络,当分组到达时,它被拷贝到内核中的某个缓冲区,第二步是将数据从内核缓冲区拷贝到应用程序缓冲区。
   下面分别介绍上面提到的5类I/O模型
本文中我们用UDP来进行举例,并且我们将函数recvfrom视为系统调用,这样让我们的注意力都集中在I/O模型上。
阻塞I/O模型
   
    最流行的I/O模型是阻塞I/O模型,缺省时,所有sockt都是阻塞的,这意味着当一个sockt调用不能立即完成时,进程进入睡眠状态,等待操作完成。如图:
 
图1 阻塞I/O模型
    在图1中,进程调用recvfrom,此调用直到数据报到达且拷贝到应用缓冲区或是出错才返回。最常见的错误是系统调用被信号中断,我们所说进程阻塞的整段时间是指从调用recvfrom开始到它返回的这段时间,当进程返回成功指示时,应用进程开始处理数据报。
    下面是一个采用阻塞I/O模型编写的简单服务器端代码(本代码来至于Unix网络编程),这段代码的功能是把客户端发来的数据再回射到客户端,本例子中进程阻塞于recvfrom.
#include     "unp.h" 
void   dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen);
int
main(int argc, char **argv)
 {
     int     sockfd;
     struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
     sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
     bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
     servaddr.sin_family = AF_INET;
     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
     servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
     Bind(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));
     dg_echo(sockfd, (SA *) &cliaddr, sizeof(cliaddr));
 }
void   dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen)
  {
      int     n;
      socklen_t len;
      char    mesg[MAXLINE];
      for ( ; ; ) {
         len = clilen;
         n = Recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
         Sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
     }
 }
非阻塞I/O模型 
      
   当我们把一个sockt设置成非阻塞放式时,即通知内核:当请求的I/O操作非得让进程睡眠才能完成时,不要让进程睡眠,而应该返回一个错误。如图:
 
图2 非阻塞I/O模型
    如图2所示,前3次调用recvfrom时仍无数据返回,因此内核立即返回一个EWOULDBLOCK错误。第4次调用recvfrom时,数据报已经准备好了,被拷贝到应用缓冲区,recvfrom返回成功指示,接着就是我们处理数据报。
    当一个应用进程像这样对一个非阻塞sockt循环调用recvfrom时,我们称此过程为轮询(polling).应用进程连续不断的查询内核,看看某操作是否准备好,这对CPU是极大的浪费,但这种模型只是偶尔才遇到。
I/O复用模型
    I/O复用能让一个或多个I/O条件满足(例如,输入已经准备好被读,或者描述字可以承接更多的输出)时,我们就被通知到。I/O复用由select和poll支持,较新的Posix.1g也支持(pselect)。
I/O复用典型地用在下列网络应用场合:
    1.当客户处理多个描述字时,必须使用。
    2.一个客户同时处理多个sockt.
    3.如果一个服务器既要处理监听sockt,又要处理连接sockt,一般也用到。
   
4.如果一个服务器既要处理TCP,又要处理UDP,一般也用到。
    5.如果一个服务器要处理多个服务或多个协议(例如inetd守护进程),一般也用到。
    I/O复用并非限于网络编程,许多正是应用程序也需要使用这项技术。
    有了I/O复用,我们就可以调用select或poll,在这两个系统调用中的某一个上阻塞,而不阻塞于真正的I/O系统调用。图3是I/O复用模型的一个小结。



图3 I/O复用模型

    我们阻塞于select调用,等待数据报socket可读,当select返回socket可读条件时,我们调用recvfrom将数据报拷贝到应用缓存区中。
    将图3与图1比较,似乎没有显示什么优越性,实际上因使用了select,要求2此系统调用而不是一次,好像变的还有点差,但是select的好处在于我们可以等待多个描述字准备好。

信号驱动 I/O模型
   
    信号驱动 I/O模型能在描述字准备好时用信号SIGIO通知我们,下图给出例子:





图4 信号驱动 I/O模型

    首先我们允许sockt进行信号驱动 I/O,并通过系统调用sigaction安装一个信号处理程序。此系统调用立即返回,进程继续工作,它是非阻塞的。当数据报准备好被读时,就为该进程生成个SIGIO信号。我们随即可以在信号处理程序中调用recvfrom来读取数据报,并通知主循环数据已准备好被处理,也可以通知主循环,让它来处理数据报。

    无论我们如何处理SIGIO信号,这种模型的好处是当等待数据报到达时,可以不阻塞。主循环可以继续执行,只是等待信号处理程序的通知:或者数据报已准备好被处理,或者数据报已准备好被读取。

异步I/O模型

    异步I/O模型是Posix.1的1993版本中的新内容。我们让内核启动操作,并在整个操作完成后(包括将数据报从内核拷贝到我们自己的缓冲区)通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于:信号驱动I/O是有内核通知我们何时可以启动一个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。图5给出了一个例子。


 

 
图5 异步I/O模型

    我们调用aio_red(Posix异步I/O函数以aio_或lio_开头),给内核传递描述字、缓冲区指针、缓冲区大小(与red相同的3个参数)、文件偏移(与lseek类似),并高书内核当整个操作完成时如何通知我们。此系统调用立即返回,我们的进程不阻塞于等待I/O操作的完成。在此例子中,我们假设要求内核在操作完成时产生一个信号,此信号直到数据已拷贝到应用程序缓冲区才产生,这一点是于信号驱动I/O模型不同的。

各种I/O模型的比较



图6 各类I/O模型的比较

    图6给出了上述5中I/O模型的比较。它表明:前4种模型的区别都在第1阶段,因为前4种模型的第2阶段基本相同:在数据从内核拷贝到调用者的缓冲区时,进程阻塞于recvfrom调用。然而异步I/O处理的两个阶段都不同于前4个模型。
   
    同步I/O与异步I/O

    Posix.1定义这两个术语如下:
    1.同步I/O操作引起请求进程阻塞,直到I/O操作完成。
    2.异步 I/O操作不引起请求进程阻塞。
    根据上述定义,我们的前四个I/O模型都是同步I/O模型,因为真正的I/O操作(recvfrom)阻塞进程,只有异步I/O模型与异步I/O的定义相符合。

epoll精髓

在linux的网络编程中,很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中,有了一种替换它的机制,就是epoll。
相比于select,epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中,它是采用轮询来处理的,轮询的fd数目越多,自然耗时越多。并且,在linux/posix_types.h头文件有这样的声明:
#define __FD_SETSIZE    1024
表示select最多同时监听1024个fd,当然,可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目,但这似乎并不治本。

epoll的接口非常简单,一共就三个函数:
1. int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数,给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是,当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。


2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注册函数,它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值,第二个参数表示动作,用三个宏来表示:
EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;
EPOLL_CTL_DEL:从epfd中删除一个fd;
第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event结构如下:
struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll events */
  epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

events可以是以下几个宏的集合:
EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET: 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里


3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

--------------------------------------------------------------------------------------------

从man手册中,得到ET和LT的具体描述如下

EPOLL事件有两种模型:
Edge Triggered (ET)
Level Triggered (LT)

假如有这样一个例子:
1. 我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2),并且它会返回RFD,说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)......

Edge Triggered 工作模式:
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志,那么在第5步调用epoll_wait(2)之后将有可能会挂起,因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内,而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候,调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。在上面的例子中,会有一个事件产生在RFD句柄上,因为在第2步执行了一个写操作,然后,事件将会在第3步被销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据,因此我们在第5步调用 epoll_wait(2)完成后,是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口,在后面会介绍避免可能的缺陷。
   i    基于非阻塞文件句柄
   ii   只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时才需要挂起,等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读,直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成,当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲中已没有数据了,也就可以认为此事读事件已处理完成。

Level Triggered 工作模式
相反的,以LT方式调用epoll接口的时候,它就相当于一个速度比较快的poll(2),并且无论后面的数据是否被使用,因此他们具有同样的职能。因为即使使用ET模式的epoll,在收到多个chunk的数据的时候仍然会产生多个事件。调用者可以设定EPOLLONESHOT标志,在 epoll_wait(2)收到事件后epoll会与事件关联的文件句柄从epoll描述符中禁止掉。因此当EPOLLONESHOT设定后,使用带有 EPOLL_CTL_MOD标志的epoll_ctl(2)处理文件句柄就成为调用者必须作的事情。


然后详细解释ET, LT:

LT(level triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表.

ET(edge-triggered)是高速工作方式,只支持no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如,你在发送,接收或者接收请求,或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误)。但是请注意,如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中,ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认(这句话不理解)。

在许多测试中我们会看到如果没有大量的idle -connection或者dead-connection,epoll的效率并不会比select/poll高很多,但是当我们遇到大量的idle- connection(例如WAN环境中存在大量的慢速连接),就会发现epoll的效率大大高于select/poll。(未测试)



另外,当使用epoll的ET模型来工作时,当产生了一个EPOLLIN事件后,
读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小,那么很有可能是缓冲区还有数据未读完,也意味着该次事件还没有处理完,所以还需要再次读取
while(rs)
{
  buflen = recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);
  if(buflen < 0)
  {
    // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
    // 在这里就当作是该次事件已处理处.
    if(errno == EAGAIN)
     break;
    else
     return;
   }
   else if(buflen == 0)
   {
     // 这里表示对端的socket已正常关闭.
   }
   if(buflen == sizeof(buf)
     rs = 1;   // 需要再次读取
   else
     rs = 0;
}


还有,假如发送端流量大于接收端的流量(意思是epoll所在的程序读比转发的socket要快),由于是非阻塞的socket,那么send()函数虽然返回,但实际缓冲区的数据并未真正发给接收端,这样不断的读和发,当缓冲区满后会产生EAGAIN错误(参考man send),同时,不理会这次请求发送的数据.所以,需要封装socket_send()的函数用来处理这种情况,该函数会尽量将数据写完再返回,返回-1表示出错。在socket_send()内部,当写缓冲已满(send()返回-1,且errno为EAGAIN),那么会等待后再重试.这种方式并不很完美,在理论上可能会长时间的阻塞在socket_send()内部,但暂没有更好的办法.

ssize_t socket_send(int sockfd, const char* buffer, size_t buflen)
{
  ssize_t tmp;
  size_t total = buflen;
  const char *p = buffer;

  while(1)
  {
    tmp = send(sockfd, p, total, 0);
    if(tmp < 0)
    {
      // 当send收到信号时,可以继续写,但这里返回-1.
      if(errno == EINTR)
        return -1;

      // 当socket是非阻塞时,如返回此错误,表示写缓冲队列已满,
      // 在这里做延时后再重试.
      if(errno == EAGAIN)
      {
        usleep(1000);
        continue;
      }

      return -1;
    }

    if((size_t)tmp == total)
      return buflen;

    total -= tmp;
    p += tmp;
  }

  return tmp;
}

 

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