摘要

? 在網絡編程領域，同步(Synchronous)、異步(Asynchronous)、阻塞(Blocking)與非阻塞(Non-blocking)IO模型是核心概念。盡管這些概念在多篇文章中被廣泛討論，它們的抽象性使得徹底理解并非易事。本文旨在通過具體的實驗案例，將這些抽象概念具體化，以助于讀者構建清晰的理解框架。

概念

IO 復用到底復用了什么

? IO 的類型有網絡 IO、磁盤 IO。我們可以把標準輸入、套接字等都看做 I/O 的一路，多路復用的意思，就是在任何一路 I/O 有“事件”發生的情況下，通知應用程序去處理相應的 I/O 事件，這樣我們的程序就變成了“多面手”，在同一時刻仿佛可以處理多個 I/O 事件。

? IO 事件類型

1. 標準輸入文件描述符準備好可以讀。
2. 監聽套接字準備好，新的連接已經建立成功。
3. 已連接套接字準備好可以寫。
4. 如果一個 I/O 事件等待超過了 10 秒，發生了超時事件。

IO 模型

? 阻塞 IO

? 阻塞 IO 模型，當我們調用 recvfrom 讀取數據時，只用等數據完全準備好，然后應用程序把數據從內核態拷貝到應用空間，程序才會返回，否則從調用方視角來看程序將會一直阻塞在 recvfrom 上。

? 非阻塞 IO

? 非阻塞IO場景發起 recvfrom 后，在內核數據沒準備好的情況下會返回 EWOULDBLOCK，EAGAIN 錯誤，所以調用方需要不斷的輪訓獲取數據結果。非阻塞 I/O 可以使用在 read、write、accept、connect 等多種不同的場景，在非阻塞 I/O 下，使用輪詢的方式引起 CPU 占用率高，所以一般將非阻塞 I/O 和 I/O 多路復用技術 select、poll 等搭配使用，在非阻塞 I/O 事件發生時，再調用對應事件的處理函數。這種方式，極大地提高了程序的健壯性和穩定性，是 Linux 下高性能網絡編程的首選。

非阻塞 IO Write 流程

/* 向文件描述符 fd 寫入 n 字節數 */
ssize_t writen(int fd, const void * data, size_t n)
{size_t      nleft;ssize_t     nwritten;const char  *ptr;ptr = data;nleft = n;// 如果還有數據沒被拷貝完成，就一直循環while (nleft > 0) {if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {/* 這里 EINTR 是非阻塞 non-blocking 情況下，通知我們再次調用 write() */if (nwritten < 0 && errno == EINTR)nwritten = 0;      elsereturn -1;         /* 出錯退出 */}/* 指針增大，剩下字節數變小 */nleft -= nwritten;ptr   += nwritten;}return n;
}

1. nleft 標記剩余寫入數據
2. while 循環一直寫入直到 nleft == 0
3. write 失敗后，如果是非阻塞將會返回 EINTR 錯誤，說明數據還未準備好，這是我們將 nwritten 置為0
4. write 成功則說明內核 socket 緩沖有空間了，不斷寫入值直到 nleft == 0

? IO 復用

? IO 復用不同于非阻塞IO的地方在于，IO 復用是在內核態實現了輪訓，相比應用層實現少了很多系統調用（系統調用成本很高）

Read 和 Write 非阻塞模式對比

? 圖源-網絡編程實戰

案例

使用Select與非阻塞IO實現高效網絡通信

#define MAX_LINE 1024
#define FD_INIT_SIZE 128char rot13_char(char c) {if ((c >= 'a' && c <= 'm') || (c >= 'A' && c <= 'M'))return c + 13;else if ((c >= 'n' && c <= 'z') || (c >= 'N' && c <= 'Z'))return c - 13;elsereturn c;
}// 數據緩沖區
struct Buffer {int connect_fd;  // 連接字char buffer[MAX_LINE];  // 實際緩沖size_t writeIndex;      // 緩沖寫入位置size_t readIndex;       // 緩沖讀取位置int readable;           // 是否可以讀
};struct Buffer *alloc_Buffer() {struct Buffer *buffer = malloc(sizeof(struct Buffer));if (!buffer)return NULL;buffer->connect_fd = 0;buffer->writeIndex = buffer->readIndex = buffer->readable = 0;return buffer;
}void free_Buffer(struct Buffer *buffer) {free(buffer);
}int onSocketRead(int fd, struct Buffer *buffer) {char buf[1024];int i;ssize_t result;// 循環讀取數據直到讀完while (1) {result = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);if (result <= 0)break;for (i = 0; i < result; ++i) {if (buffer->writeIndex < sizeof(buffer->buffer))buffer->buffer[buffer->writeIndex++] = rot13_char(buf[i]);if (buf[i] == '\n') {buffer->readable = 1;  // 緩沖區可以讀}}}if (result == 0) {return 1;} else if (result < 0) {if (errno == EAGAIN)return 0;return -1;}return 0;
}int onSocketWrite(int fd, struct Buffer *buffer) {while (buffer->readIndex < buffer->writeIndex) {ssize_t result = send(fd, buffer->buffer + buffer->readIndex, buffer->writeIndex - buffer->readIndex, 0);if (result < 0) {if (errno == EAGAIN)return 0;return -1;}buffer->readIndex += result;}if (buffer->readIndex == buffer->writeIndex)buffer->readIndex = buffer->writeIndex = 0;buffer->readable = 0;return 0;
}int main(int argc, char **argv) {int listen_fd;int i, maxfd;struct Buffer *buffer[FD_INIT_SIZE];for (i = 0; i < FD_INIT_SIZE; ++i) {buffer[i] = alloc_Buffer();}// 設置 非 阻塞監聽listen_fd = tcp_nonblocking_server_listen(SERV_PORT);fd_set readset, writeset, exset;FD_ZERO(&readset);FD_ZERO(&writeset);FD_ZERO(&exset);while (1) {maxfd = listen_fd;FD_ZERO(&readset);FD_ZERO(&writeset);FD_ZERO(&exset);// listener 加入 readsetFD_SET(listen_fd, &readset);for (i = 0; i < FD_INIT_SIZE; ++i) {if (buffer[i]->connect_fd > 0) {if (buffer[i]->connect_fd > maxfd)maxfd = buffer[i]->connect_fd;FD_SET(buffer[i]->connect_fd, &readset);if (buffer[i]->readable) {FD_SET(buffer[i]->connect_fd, &writeset);}}}if (select(maxfd + 1, &readset, &writeset, &exset, NULL) < 0) {error(1, errno, "select error");}if (FD_ISSET(listen_fd, &readset)) {printf("listening socket readable\n");// sleep 模擬處理延時sleep(5);struct sockaddr_storage ss;socklen_t slen = sizeof(ss);// 如果是阻塞 IO 由于超時原因客戶端斷開連接，此時服務端的連接也失效，加入一直沒有請求進來// 將會一直阻塞在 accept 這里。如果是異步IO accept 將會立刻返回，但我們要處理好 accept 的// 異常情況int fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *) &ss, &slen);if (fd < 0) {error(1, errno, "accept failed");} else if (fd > FD_INIT_SIZE) {error(1, 0, "too many connections");close(fd);} else {// 把連接套接字設置為非阻塞make_nonblocking(fd);if (buffer[fd]->connect_fd == 0) {buffer[fd]->connect_fd = fd;} else {error(1, 0, "too many connections");}}}for (i = 0; i < maxfd + 1; ++i) {int r = 0;if (i == listen_fd)continue;if (FD_ISSET(i, &readset)) {r = onSocketRead(i, buffer[i]);}if (r == 0 && FD_ISSET(i, &writeset)) {r = onSocketWrite(i, buffer[i]);}if (r) {buffer[i]->connect_fd = 0;close(i);}}}
}

1. 調用 fcntl 將監聽套接字設置為非阻塞。
2. 行調用 select 進行 I/O 事件分發處理
3. 把accept的連接套接字設置為非阻塞的
4. 處理連接套接字上的 I/O 讀寫事件，抽象了一個 Buffer 對象，Buffer 對象使用了 readIndex 和 writeIndex 分別表示當前緩沖的讀寫位置。

結尾

文章總結了同步、異步、阻塞與非阻塞IO模型的關鍵概念，并通過對Select與非阻塞IO的案例分析，展示了這些概念在實際編程中的應用。希望讀者通過本文能夠獲得對網絡編程中IO模型的深入理解，并指導實踐中的應用

Reference

1. http://www.pandademo.com/2016/11/linux-kernel-select-source-dissect/
2. https://www.jianshu.com/p/95b50b026895
3. https://www.zhihu.com/question/19732473
4. https://tubetrue01.github.io/articles/2021/08/16/c_unix/Socket(%E4%BA%8C)recv%E4%B8%8Esend%E5%87%BD%E6%95%B0/
5. https://time.geekbang.org/column/intro/100032701
6. https://github.com/froghui/yolanda