《后台开发：核心技术与应用实践》第七章网络IO模型

2024-06-08 07:38
文章标签 实践 应用 开发 模型 网络 后台 io 核心技术 第七章

本文主要是介绍《后台开发：核心技术与应用实践》第七章网络IO模型，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

  • 一、基础知识
    • 1.IO的两种操作：同步IO和异步IO
    • 2.网络中IO的操作有4种情况：
    • 3.当一个网络IO（eg，read操作），会涉及哪两个系统对象和经历哪两个阶段？
  • 二、四种网络IO模型
    • 1.阻塞IO模型
      • （1）阻塞和非阻塞在于用户进程调用内核IO操作方式下的区别
      • （2）特点
      • （3）几乎所有的IO接口（包括socket接口）都是阻塞型的
      • （4）改进方案：多线程（多进程），线程池，连接池
      • （5）为何一个 socket 可以 accept 多次？
      • （6）总结
    • 2.非阻塞IO模型
    • 3.多路IO复用模型，即事件驱动IO
      • （1）特点
      • （2）多路IO复用和阻塞IO的区别
      • （3）使用select()的效果与非阻塞IO类似
      • （4）select()原型：探测多个文件句柄的状态变化
      • （5）事件驱动模型
    • 4.异步IO模型
      • （1）特点
      • （2）非阻塞IO和异步IO的区别
    • 5.各个 IO 模型的比较
  • 二、select——完成非阻塞方式工作的程序，监视需要被监视的文件描述符的变化情况：读、写或异常
    • 1.select函数原型
    • 2.使用select函数循环读取键盘输入
    • 3.观察 select 超时
    • 3.使用 select 函数提高服务器的处理能力

一、基础知识

1.IO的两种操作：同步IO和异步IO

  • 同步IO：必须等待IO操作完成后，控制权才返回给用户进程
  • 异步IO：无需等待IO操作完成，就将控制权返回给用户进程

2.网络中IO的操作有4种情况：

  • 输入：等待数据到达套接字接收缓冲区
  • 输出：等待套接字发送缓冲区有足够的空间容纳将要发送的数据
  • 服务器接收连接请求：等待新的客户端连接请求的到来
  • 客户端发送连接请求：等待服务器回送客户的发起的SYN所对应的ACK

3.当一个网络IO（eg，read操作），会涉及哪两个系统对象和经历哪两个阶段？

  • 两个系统对象为：
    （1）调用这个IO的进程
    （2）系统内核
  • 两个阶段是：
    （1）等待数据准备
    （2）将数据从内核拷贝到进程（实际是拷贝到内存中）

二、四种网络IO模型

1.阻塞IO模型

（1）阻塞和非阻塞在于用户进程调用内核IO操作方式下的区别

在这里插入图片描述

（2）特点

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（3）几乎所有的IO接口（包括socket接口）都是阻塞型的

在这里插入图片描述

（4）改进方案：多线程（多进程），线程池，连接池

在这里插入图片描述
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（5）为何一个 socket 可以 accept 多次？

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（6）总结

多线程模型可以方便高效的解决小规模的服务请求，但面对大规模的服务请求，多线程模型也会遇到瓶颈，可以用非阻塞模型来尝试解决这个问题。

2.非阻塞IO模型

  • 特点
    在这里插入图片描述
  • recv()函数的不同含义
    在这里插入图片描述
  • 如下的函数可以将某句柄归设为非阻塞状态 ：fcntl( fd , F_SETFL , O_NONBLOCK );

3.多路IO复用模型，即事件驱动IO

（1）特点

  • 它的基本原理就是有个函数（eg：select）会不断地轮询所负责的所有socket，当某个socket 有数据到达了，就通知用户进程
  • 多路 IO 复用模型的流程如图 7-3 所示
    在这里插入图片描述

（2）多路IO复用和阻塞IO的区别

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（3）使用select()的效果与非阻塞IO类似

在这里插入图片描述

（4）select()原型：探测多个文件句柄的状态变化

在这里插入图片描述
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（5）事件驱动模型

在这里插入图片描述

  • 这种模型的特征在于每一个执行周期都会探测一次或一组事件，一个特定的事件会触发某个特定的响应，这里可以将这种模型归类为“事件驱动模型” 。
  • select()事件驱动模型的优点
    在这里插入图片描述
  • select()事件驱动模型的缺点
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

4.异步IO模型

（1）特点

  • 用户进程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其他的事；而另一方面，从内核的角度，当它收到一个异步的 read 请求操作之后，首先会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞。
  • 然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存中，当这一切都完成之后，内核会给用户进程发送一个信号，返回 read 操作已完成的信息。
    在这里插入图片描述

（2）非阻塞IO和异步IO的区别

  • 非阻塞 IO 在执行 recvfrom 这个系统调用的时候，如果内核的数据没有准备好，这时候不会阻塞进程 。但是当内核中数据准备好时，recvfrom 会将数据从内核拷贝到用户内存中，这个时候进程则被阻塞。
  • 异步 IO 则不一样，当进程发起 IO 操作之后，就直接返回，直到内核发送一个信号，告诉进程 IO 已完成，则在这整个过程中，进程完全没有被阻塞。
    在这里插入图片描述

5.各个 IO 模型的比较

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二、select——完成非阻塞方式工作的程序，监视需要被监视的文件描述符的变化情况：读、写或异常

1.select函数原型

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（1）结构体1： fd_set
在这里插入图片描述
（2）结构体2： timeval
结构体 timeval 是一个常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数 。

（3）select 的各个参数所表示的含义
在这里插入图片描述
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2.使用select函数循环读取键盘输入

#include <sys/time.h>  
#include <stdio.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <assert.h>  
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <sys/select.h>
int main(){int keyboard;  int ret,i;  char c;  fd_set readfd;  struct timeval timeout;keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK); assert(keyboard>0);  while(1){timeout.tv_sec=1; timeout.tv_usec=0; FD_ZERO(&readfd);  //将readfd清零FD_SET(keyboard,&readfd);//将keyboard加入readfdret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout); if(FD_ISSET(keyboard,&readfd))//如果keyboard在readfd中，则为真 {i=read(keyboard,&c,1);  if('\n'==c)  continue;  printf("The input is %c\n",c);  if ('q'==c)  break;  }}return 0;
}

（1）执行
在这里插入图片描述
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（2）分析

  • open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK)
    在这里插入图片描述
  • assert(keyboard>0)
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  • 函数解释
		timeout.tv_sec=1; timeout.tv_usec=0; FD_ZERO(&readfd);  //将readfd清零FD_SET(keyboard,&readfd);//将keyboard加入readfdret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);

在这里插入图片描述

  • 函数解释
		if(FD_ISSET(keyboard,&readfd))//如果keyboard在readfd中，则为真 {i=read(keyboard,&c,1);  if('\n'==c)  continue;  printf("The input is %c\n",c);  if ('q'==c)  break;  }

在这里插入图片描述

3.观察 select 超时

#include <sys/time.h>  
#include <stdio.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <assert.h>  
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <sys/select.h>
int main(){int keyboard; int ret,i; char c;fd_set readfd;struct timeval timeout;keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);assert(keyboard>0);while(1) {timeout.tv_sec=5;timeout.tv_usec=0;FD_ZERO(&readfd);FD_SET(keyboard,&readfd);ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);if (ret == -1)perror("select error");else if (ret){if(FD_ISSET(keyboard,&readfd)){i=read(keyboard,&c,1);if('\n'==c)continue;printf("hehethe input is %c\n",c);if ('q'==c)break;}  }else if (ret == 0)printf("time out\n");}return 0;
}

（1）执行
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

（2）解释

	if (ret == -1)perror("select error");else if (ret){if(FD_ISSET(keyboard,&readfd)){i=read(keyboard,&c,1);if('\n'==c)continue;printf("hehethe input is %c\n",c);if ('q'==c)break;}  }else if (ret == 0)printf("time out\n");}

在这里插入图片描述

3.使用 select 函数提高服务器的处理能力

  • server端代码：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#define DEFAULT_PORT 6666
int main( int argc, char ** argv){int serverfd,acceptfd; /* 监听socket: serverfd,数据传输socket: acceptfd */struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */struct sockaddr_in their_addr; /* 客户地址信息 */unsigned int sin_size, myport=6666, lisnum=10;if ((serverfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM, 0)) == -1) {perror("socket" );return -1;}printf("socket ok \n");my_addr.sin_family=AF_INET;my_addr.sin_port=htons(DEFAULT_PORT);my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;bzero(&(my_addr.sin_zero), 0);if (bind(serverfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr )) == -1) {perror("bind" );return -2;}printf("bind ok \n");if (listen(serverfd, lisnum) == -1) {perror("listen" );return -3;}printf("listen ok \n");fd_set client_fdset;	/*监控文件描述符集合*/int maxsock;            /*监控文件描述符中最大的文件号*/struct timeval tv;		/*超时返回时间*/int client_sockfd[5];   /*存放活动的sockfd*/bzero((void*)client_sockfd,sizeof(client_sockfd));int conn_amount = 0;    /*用来记录描述符数量*/maxsock = serverfd;char buffer[1024];int ret=0;while(1){/*初始化文件描述符号到集合*/FD_ZERO(&client_fdset);/*加入服务器描述符*/FD_SET(serverfd,&client_fdset);//把服务器描述符加入到集合中/*设置超时时间*/tv.tv_sec = 30; /*30秒*/tv.tv_usec = 0;/*把活动的句柄加入到文件描述符中*/for(int i = 0; i < 5; ++i){
/*程序中Listen中参数设为5,故i必须小于5*/if(client_sockfd[i] != 0){FD_SET(client_sockfd[i], &client_fdset);}}/*printf("put sockfd in fdset!\n");*//*select函数*/ret = select(maxsock+1, &client_fdset, NULL, NULL, &tv);if(ret < 0){perror("select error!\n");break;}else if(ret == 0){printf("timeout!\n");continue;}/*轮询各个文件描述符*/for(int i = 0; i < conn_amount; ++i){/*FD_ISSET检查client_sockfd是否可读写，>0可读写*/if(FD_ISSET(client_sockfd[i], &client_fdset)){printf("start recv from client[%d]:\n",i);ret = recv(client_sockfd[i], buffer, 1024, 0);if(ret <= 0){printf("client[%d] close\n", i);close(client_sockfd[i]);FD_CLR(client_sockfd[i], &client_fdset);client_sockfd[i] = 0;}else{printf("recv from client[%d] :%s\n", i, buffer);}}}/*检查是否有新的连接，如果有，接收连接，加入到client_sockfd中*/if(FD_ISSET(serverfd, &client_fdset)){/*接受连接*/struct sockaddr_in client_addr;size_t size = sizeof(struct sockaddr_in);int sock_client = accept(serverfd, (struct sockaddr*)(&client_addr), (unsigned int*)(&size));if(sock_client < 0){perror("accept error!\n");continue;}/*把连接加入到文件描述符集合中*/if(conn_amount < 5){client_sockfd[conn_amount++] = sock_client;bzero(buffer,1024);strcpy(buffer, "this is server! welcome!\n");send(sock_client, buffer, 1024, 0);printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));bzero(buffer,sizeof(buffer));ret = recv(sock_client, buffer, 1024, 0);if(ret < 0){perror("recv error!\n");close(serverfd);return -1;}printf("recv : %s\n",buffer);if(sock_client > maxsock){maxsock = sock_client;}else{printf("max connections!!!quit!!\n");break;}}}
}for(int i = 0; i < 5; ++i){if(client_sockfd[i] != 0){close(client_sockfd[i]);}}close(serverfd);return 0;	
}
  • client端代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#define DEFAULT_PORT 6666
int main( int argc, char * argv[]){int connfd = 0;int cLen = 0;struct sockaddr_in client;if(argc < 2){printf(" Uasge: clientent [server IP address]\n");return -1;}	client.sin_family = AF_INET;client.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);client.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);connfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(connfd < 0){perror("socket" );return -1;}if(connect(connfd, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client)) < 0){perror("connect" );return -1;}char buffer[1024];bzero(buffer,sizeof(buffer));recv(connfd, buffer, 1024, 0);printf("recv : %s\n", buffer);bzero(buffer,sizeof(buffer));strcpy(buffer,"this is client!\n");send(connfd, buffer, 1024, 0);while(1){bzero(buffer,sizeof(buffer));scanf("%s",buffer);int p = strlen(buffer);buffer[p] = '\0';send(connfd, buffer, 1024, 0);printf("i have send buffer\n");}close(connfd);return 0;
}
  • makefile代码
all:server client
server:server.og++ -g -o server server.o
client:client.og++ -g -o client client.o
server.o:server.cppg++ -g -c server.cpp
client.o:client.cppg++ -g -c client.cpp
clean:allrm all

（1）执行
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（2）分析server代码
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