第15章 非阻塞I/O

非阻塞读写

默认 socket 是阻塞的，读写函数 read, readv, recv, recvfrom, recvmsg 以及 write, writev, send, sendto, sendmsg 都有可能会阻塞。可以将 socket 描述字设为非阻塞，这样，当 socket 描述字未就绪时，调用以上读写函数将会返回 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN 。

UNPv1 给出了一个 非阻塞socket + select 的例子。有人对此提出疑问：

假如fd1是一个阻塞socket，我将它加入select的readset中，然后用select去侦听fd1上是否有数据到来。我感觉这和非阻塞 socket的性质是一样的，因为它不会阻塞在fd1的recv 函数上，因为之前select已经判定到fd1可读，所以recv 就会返回不会阻塞。 那么为什么大家总要还要创建一个非阻塞的socket加入select中呢？

有人给出的答案是：
select 只能说明 socket 可读或者可写，不能说明能读入或者能写出多少数据。比如，socket 的写缓冲区有 10 个字节的空闲空间，这时监视的 select 返回，然后在该 socket 上进行写操作。但是如果要写入 100 字节，如果 socket 没有设置非阻塞，调用 write 就会阻塞在那里。而更为要紧的是，在多个 socket 的情况下，读写一个socket 时阻塞，会影响到其他的 socket 。



UNPv1 上的例子如下：

1 #include "unp.h"

2 void
3 str_cli(FILE *fp, int sockfd)
4 {
5 int maxfdp1, val, stdineof;
6 ssize_t n, nwritten;
7 fd_set rset, wset;
8 char to[MAXLINE], fr[MAXLINE];
9 char *toiptr, *tooptr, *friptr, *froptr;

10 val = Fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
11 Fcntl(sockfd, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

12 val = Fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
13 Fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

14 val = Fcntl(STDOUT_FILENO, F_GETFL, 0);
15 Fcntl(STDOUT_FILENO, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

16 toiptr = tooptr = to; /* initialize buffer pointers */
17 friptr = froptr = fr;
18 stdineof = 0;

19 maxfdp1 = max(max(STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO), sockfd) + 1;
20 for ( ; ; ) {
21 FD_ZERO(&rset);
22 FD_ZERO(&wset);
23 if (stdineof == 0 && toiptr < &to[MAXLINE])
24 FD_SET(STDIN_FILENO, &rset); /* read from stdin */
25 if (friptr < &fr[MAXLINE])
26 FD_SET(sockfd, &rset); /* read from socket */
27 if (tooptr != toiptr)
28 FD_SET(sockfd, &wset); /* data to write to socket */
29 if (froptr != friptr)
30 FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset); /* data to write to stdout */

31 Select(maxfdp1, &rset, &wset, NULL, NULL);

 

32 if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rset)) {
33 if ( (n = read(STDIN_FILENO, toiptr, &to[MAXLINE] - toiptr)) < 0) {
34 if (errno != EWOULDBLOCK)
35 err_sys("read error on stdin");

36 } else if (n == 0) {
37 fprintf(stderr, "%s: EOF on stdin\n", gf_time());
38 stdineof = 1; /* all done with stdin */
39 if (tooptr == toiptr)
40 Shutdown(sockfd, SHUT_WR); /* send FIN */

41 } else {
42 fprintf(stderr, "%s: read %d bytes from stdin\n", gf_time(),
43 n);
44 toiptr += n; /* # just read */
45 FD_SET(sockfd, &wset); /* try and write to socket below */
46 }
47 }

48 if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {
49 if ( (n = read(sockfd, friptr, &fr[MAXLINE] - friptr)) < 0) {
50 if (errno != EWOULDBLOCK)
51 err_sys("read error on socket");

52 } else if (n == 0) {
53 fprintf(stderr, "%s: EOF on socket\n", gf_time());
54 if (stdineof)
55 return; /* normal termination */
56 else
57 err_quit("str_cli: server terminated prematurely");

58 } else {
59 fprintf(stderr, "%s: read %d bytes from socket\n",
60 gf_time(), n);
61 friptr += n; /* # just read */
62 FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset); /* try and write below */
63 }
64 }

 

65 if (FD_ISSET(STDOUT_FILENO, &wset) && ((n = friptr - froptr) > 0)) {
66 if ( (nwritten = write(STDOUT_FILENO, froptr, n)) < 0) {
67 if (errno != EWOULDBLOCK)
68 err_sys("write error to stdout");

69 } else {
70 fprintf(stderr, "%s: wrote %d bytes to stdout\n",
71 gf_time(), nwritten);
72 froptr += nwritten; /* # just written */
73 if (froptr == friptr)
74 froptr = friptr = fr; /* back to beginning of buffer */
75 }
76 }

77 if (FD_ISSET(sockfd, &wset) && ((n = toiptr - tooptr) > 0)) {
78 if ( (nwritten = write(sockfd, tooptr, n)) < 0) {
79 if (errno != EWOULDBLOCK)
80 err_sys("write error to socket");

81 } else {
82 fprintf(stderr, "%s: wrote %d bytes to socket\n",
83 gf_time(), nwritten);
84 tooptr += nwritten; /* # just written */
85 if (tooptr == toiptr) {
86 toiptr = tooptr = to; /* back to beginning of buffer */
87 if (stdineof)
88 Shutdown(sockfd, SHUT_WR); /* send FIN */
89 }
90 }
91 }
92 }
93 }



1 #include "unp.h"
2 #include

3 char *
4 gf_time(void)
5 {
6 struct timeval tv;
7 static char str[30];
8 char *ptr;

9 if (gettimeofday(&tv, NULL) < 0)
10 err_sys("gettimeofday error");

11 ptr = ctime(&tv.tv_sec);
12 strcpy(str, &ptr[11]);
13 /* Fri Sep 13 00:00:00 1986\n\0 */
14 /* 0123456789012345678901234 5 */
15 snprintf(str + 8, sizeof(str) - 8, ".%06ld", tv.tv_usec);

16 return (str);
17 }

这个例子中用到的两个 buffer 如下：

 

由于上面这个例子 buffer 管理 太过复杂，作者又给出了 多进程 方式来替代 上面的 非阻塞 + select 。
对于同一个 socket ，一个进程读，另一个进程写。

 

1 #include "unp.h"

2 void
3 str_cli(FILE *fp, int sockfd)
4 {
5 pid_t pid;
6 char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];

7 if ( (pid = Fork()) == 0) { /* child: server -> stdout */
8 while (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) > 0)
9 Fputs(recvline, stdout);

10 kill(getppid(), SIGTERM); /* in case parent still running */
11 exit(0);
12 }

13 /* parent: stdin -> server */
14 while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
15 Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));

16 Shutdown(sockfd, SHUT_WR); /* EOF on stdin, send FIN */
17 pause();
18 return;
19 }

非阻塞 connect

系统中socket编程时，如果调用connect连接的对方主机没有在listen，那么就可能会有问题。如果使用默认的套接字属性（阻塞）的话，那么connect不会立即返回，它要等待75秒，如果75秒内没有收到对方的应答的话，那么客户需要等待75秒，这段时间内整个进程都被阻塞了。

TCP socket 被设为非阻塞后调用 connect ，connect 函数会立即返回 EINPROCESS ，但 TCP 的 3 次握手继续进行。之后可以用 select 检查 连接是否建立成功。非阻塞 connect 有3 种用途：

1. 在3 次握手的同时做一些其他的处理。
2. 可以同时建立多个连接。
3. 在利用 select 等待的时候，可以给 select 设定一个时间，从而可以缩短 connect 的超时时间。

使用非阻塞 connect 需要注意的问题是：
1. 很可能 调用 connect 时会立即建立连接（比如，客户端和服务端在同一台机子上），必须处理这种情况。
2. Posix 定义了两条与 select 和 非阻塞 connect 相关的规定：
1）连接成功建立时，socket 描述字变为可写。（连接建立时，写缓冲区空闲，所以可写）
2）连接建立失败时，socket 描述字既可读又可写。 （由于有未决的错误，从而可读又可写）


UNPv1 给出的 非阻塞 connect 的例子：

1 #include "unp.h"

2 int
3 connect_nonb(int sockfd, const SA *saptr, socklen_t salen, int nsec)
4 {
5 int flags, n, error;
6 socklen_t len;
7 fd_set rset, wset;
8 struct timeval tval;

9 flags = Fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
10 Fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

11 error = 0;
12 if ( (n = connect(sockfd, saptr, salen)) < 0)
13 if (errno != EINPROGRESS)
14 return (-1);

15 /* Do whatever we want while the connect is taking place. */

16 if (n == 0)
17 goto done; /* connect completed immediately */

18 FD_ZERO(&rset);
19 FD_SET(sockfd, &rset);
20 wset = rset;
21 tval.tv_sec = nsec;
22 tval.tv_usec = 0;

23 if ( (n = Select(sockfd + 1, &rset, &wset, NULL,
24 nsec ? &tval : NULL)) == 0) {
25 close(sockfd); /* timeout */
26 errno = ETIMEDOUT;
27 return (-1);
28 }

29 if (FD_ISSET(sockfd, &rset) || FD_ISSET(sockfd, &wset)) {
30 len = sizeof(error);
31 if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len) < 0)
32 return (-1); /* Solaris pending error */
33 } else
34 err_quit("select error: sockfd not set");

35 done:
36 Fcntl(sockfd, F_SETFL, flags); /* restore file status flags */

37 if (error) {
38 close(sockfd); /* just in case */
39 errno = error;
40 return (-1);
41 }
42 return (0);
43 }

注意事项：
1. 如果在调用 select 之前，连接已经建立成功，并且有数据发送过来了，这时套接字将是即可读又可写，和连接失败时是一样的。所以我们必须用 getsockopt 来检查套接字的状态。
2. 由于 socket 可写并不能说明连接是否成功建立，可以用以下几种方法取代 getsockopt 来检查连接到底是不是成功建立。
1）调用 getpeername ，如果调用失败，返回 ENOTCONN ，表示连接失败。可以用 getsockopt (SO_ERROR) 获取 socket 上待处理的错误。
2）调用 read ，长度参数为 0 ， 如果read 失败，表明 connect 失败，而且 read 返回的 errno 指明了连接失败的原因。如果连接成功，read 返回 0 。
3）在调用 connect 一次，这是应该失败，如果错误号为 EISCONN ，表明连接已经成功建立。


被中断的 connect

在阻塞的 socket 上 调用 connect ，在 TCP 3 次握手完成之前被信号中断，如果 connect 不被重启，将返回 EINTR 。但是不能再调用 connect 来完成连接，这样做会返回 EADDRINUSE 。
这时需要做的是调用 select ，如同非阻塞 socket 上调用 select 一样。select 返回时表明连接成功（socket 可写）或连接失败（socket 可读可写）。




非阻塞 accept

当用 select 监视 listening socket 时， 如果有新连接到来，select 返回， 该 listening socket 变为可读。然后我们 accept 接收该连接。

问题是：accept 时，将 listening socket 设置为 非阻塞 的必要性是什么？

首先说明一下 已完成3次握手的连接在 accept 之前 被 异常终止（Aborted ）时发生的情况，如下图：

一个连接被异常终止时执行的动作取决于实现：
1. 基于 Berkeley 的实现完全由内核处理该异常终止的连接， 应用进程看不到。
2. 基于 SVR4 的实现，在连接异常终止后调用 accept 时，通常会给应用进程返回 EPROTO 错误。但是 Posix 指出应该返回 ECONNABORTED 。Posix 认为当发生致命的协议相关的错误时，返回 EPROTO 错误。而 异常终止一个连接并非致命错误，从而返回 ECONNABORTED ，与 EPROTO 区分开来，这样随后可以继续调用 accept 。


现在假设是基于 Berkeley 的实现，在 select 返回后，accept 调用之前，如果连接被异常终止，这时 accept 调用可能会由于没有已完成的连接而阻塞，直到有新连接建立。对于服务进程而言，在被 accept 阻塞的这一段时间内，将不能处理其他已就绪的 socket 。

解决上面这个问题有两种方法：
1. 在用 select 监视 listening socket 时，总是将 listening socket 设为非阻塞模式。
2. 忽略 accept 返回的以下错误：
EWOULDBLOCK（基于 berkeley 实现，当客户端异常终止连接时）、ECONNABORTED（基于 posix 实现，当客户端异常终止连接时）、EPROTO（基于 SVR4 实现，当客户端异常终止连接时）以及 EINTR 。