Socket编程::IO模型

IO模型种类
    1、阻塞IO
    2、非阻塞IO
    3、IO多路复用
    4、信号驱动IO
    5、异步IO(AIO)

这里有必要知道，在socket编程中网络数据是如何被处理及传输的，以read操作为例，首先应用程序会告知内核要开始进行读操作，内核接到命令后会先创建文件描述符(file descriptor)，等数据从网络传输到本地，经过网络层的包解析后得到真正的数据，此时内核会将数据缓存在文件描述符的读缓冲区中，因为文件描述符由内核创建，所以这里的缓冲区也是在内核中，最后将该缓冲区中的数据复制到应用程序的缓冲区。write操作也类似。

阻塞IO
    缺省状态下，一个套接字建立以后所处的模式就是阻塞IO模式。这种模式比较好理解，直到有数据到达本地系统调用才返回。

非阻塞IO
    和阻塞IO相对应，不管有没有数据到达系统调用都立即返回。当应用程序采用非阻塞IO模式时，需要使用一个循环操作来不停地测试文件描述符是否可读，这是一个极度浪费CPU资源的操作。

IO多路复用
    IO多路复用是通过调用select或poll函数来实现。和阻塞IO模式相比，把阻塞操作提前，即在调用select或poll时阻塞，后面的真正数据操作并不阻塞。多数复用的高明之处在于它能同时等待多个文件描述符，当文件描述符集中有一个进入就绪状态时，select函数就可以返回。

信号驱动IO
    当文件描述符就绪时，内核使用SIGIO信号通知， 这种模式就是信号驱动模式。在这种模式下，系统调用会立即返回，当数据就绪时，系统会发送SIGIO信号。 实现信号驱动IO需要三步：
    1、一个信号处理函数来进行IO操作(必须先于2和3操作)
    2、设定套接字的拥有者，通过fcntl函数的F_SETOWN参数来实现即fcntl(fd,F_SETOWN,getpid())
    3、套接字允许使用异步IO，通过fcntl函数的F_SETFL命令，O_ASYNC为参数来实现即fcntl(fd,F_SETFL,O_ASYNC)

异步IO
    在AIO下，只需要告诉内核要进行IO操作，内核会立刻返回，具体的IO操作全部由内核来完成，程序会继续往下执行，当IO操作结束后内核会通知程序。与信号驱动IO相比，内核通知的时间点不同，信号驱动IO是在数据就绪时通知，而AIO是IO操作结束时通知。

fcntl函数
    函数声明(manipulate file descriptor)

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ ); /*第二个参数是操作命令，如之前提到的设置阻塞非阻塞的命令F_SETFL，设置套接字属主的命令F_SETOWN，第三个参数是命令的参数，如前边提到的O_ASYNC*/

 
select函数
    函数声明

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  /*将文件描述符fd从集合set中删除*/
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); /*判断文件描述符fd是否存在于集合set中*/
void FD_SET(int fd, fd_set *set);  /*将fd加入set中*/
void FD_ZERO(fd_set *set);         /*将集合清0*/

    select函数可以同时监视多个套接字，通过它可以知道哪个套接字可以读取数据，哪个可以写入数据，哪个出现错误。正常返回就绪描述符的数目，0为超时，－1为出错。

    nfds是readfds、writefds、exceptfds集合中文件描述符中最大的数字加1
    readfds为是否可读的fd集合
    writefds为是否可写的fd集合
    exceptfds为是否有例外发生的fd集合

    结构timeval

struct timeval
{
    int tv_sec;  /*秒数*/
    int tv_usec; /*微秒数*/
}

    当select函数返回时，timeval中的时间被设置为执行select后剩下的时间。
    有几点注意：
        1、linux的最小时间片是100微秒，如果tv_usec设得过小则毫无意义。
        2、timeval为0，select会立即返回
        3、timeval为NULL，select进入阻塞状态

    select代码示例

/*
 * =====================================================================================
 *
 *       Filename:  test.c
 *       Description: 从stdin等待输入，等待时间1.5秒
 *       Version:   1.0
 *       Created:   06/21/2012 01:48:47 PM
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  gcc
 *
 *       Author:    djstava , [e-mail]
 *       Company:   ABC Inc
 *
 * =====================================================================================
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>

#define STDIN 0

int main(int argc,char **argv)
{
    struct timeval tv;
    fd_set readfds;

    tv.tv_sec = 1;
    tv.tv_usec = 500000;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(STDIN,&readfds);

    select(STDIN+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);

    if(FD_ISSET(STDIN,&readfds))
        printf("Input from stdin!\n");
    else
        printf("Timed out!\n");
}