akae-network-programming-models-2011.09.06.pdf

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1、I/O模型与调度模型杨劲松yjs@oldhand.org2011.09.06参考资料◆W.RichardStevens《UNIX网络编程》(第1卷)◆W.RichardStevens《TCP/IP详解》(第1卷)◆W.Richardstevens《UNIX环境高级编程》◆EricS.Raymond《UNIX编程艺术》2http://www.akaedu.org09/06/11学习方法(建议)◆参考W.RichardStevens《TCP/IP详解》(卷一)◆阅读相关的RFC文档◆动手实践●使用tcpdump分析数据包●使用wireshark分析数据包3http://www.aka

2、edu.org09/06/111.I/O模型◆系统I/O与服务器模型◆阻塞I/O模型◆非阻塞I/O模型◆多路复用I/O模型◆信号驱动I/O模型◆异步I/O模型◆I/O模型比较4http://www.akaedu.org09/06/111.1系统I/O与服务器模型◆在UNIX/Linux下有5种I/O模型：●阻塞I/O：◇最常用、最简单、效率最低●非阻塞I/O：◇可防止进程阻塞在I/O操作上●I/O多路复用：◇允许同时对多个I/O进行控制●信号驱动I/O:◇当某个描述符字上发生了某个事件时，让内核通过信号SIGIO通知进程●异步I/O5http://www.akaedu.org09

3、/06/111.2阻塞IO模型◆阻塞I/O模式是最普遍使用的I/O模式，大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O。◆缺省情况下，套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O模式。◆前面学习的很多读写函数在调用过程中会发生阻塞●读操作中的read()/readv()/recv()/recvfrom()/recvmsg()●写操作中的write()/writev()/send()/sendto()/sendmag()●另外：accept()/connect()6http://www.akaedu.org09/06/111.2.1阻塞I/O模型7http://www.akaedu.org09/0

4、6/111.2.2读阻塞◆以read()为例：●进程调用read()从套接字上读取数据，当套接字的接收缓冲区中还没有数据可读，函数read()将发生阻塞。●它会一直阻塞下去，等待套接字的接收缓冲区中有数据可读。●经过一段时间后，缓冲区内接收到数据，于是内核便去唤醒该进程，通过read()访问这些数据。●如果在进程阻塞过程中，对方发生故障，那这个进程将永远阻塞下去。8http://www.akaedu.org09/06/111.2.3写阻塞◆在写操作时发生阻塞的情况要比读操作少。主要发生在要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下。◆这时，写操作不进行任何拷贝工作，将发生阻塞。

5、◆一量发送缓冲区内有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区。◆UDP不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以UDP协议中不存在发送缓冲区满的情况，在UDP套接字上执行的写操作永远都不会阻塞。9http://www.akaedu.org09/06/111.3非阻塞I/O模型◆当我们将一个套接字设置为非阻塞模式，我们相当于告诉了系统内核：“当我请求的I/O操作不能够马上完成，你想让我的进程进行休眠等待的时候，不要这么做，请马上返回一个错误给我。”◆当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字，它需要使用一个循环来不停地测试是否一个文件描述符有数据可读（称

6、做polling）。◆应用程序不停的polling内核来检查是否I/O操作已经就绪。这将是一个极浪费CPU资源的操作。◆这种模式使用中不是很普遍。10http://www.akaedu.org09/06/111.3.1非阻塞I/O模型11http://www.akaedu.org09/06/111.3.2非阻塞I/O调度过程EAGAINEAGAIN读到数据read返read返read返回回回readreadread多次调用用户态read核心态套接套接套接字缓字缓字缓……冲区中数冲区冲区据到达，中没中没进行数据有数有数复制据据12http://www.akaedu.org09/06

7、/111.4多路复用IO◆应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，将得不到预期的目的；◆若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；◆若设置多个进程，分别处理一条数据通路，将新产生进程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；◆比较好的方法是使用I/O多路复用。其基本思想是：●先构造一张有关描述符的表，然后调用一个函数，它要到这些描述符中的一个已准备好进行I/O时才返回。●返回时，它告诉进程那个描述符已准备好可以进行I/O。13http://www.aka