20.非阻塞IO

非阻塞 I/O

读操作

如果套接字对应的接收缓冲区没有数据可读，在非阻塞情况下 read 调用会立即返回，一般返回 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN 出错信息。在这种情况下，出错信息是需要小心处理，比如稍等后再次调用 read 操作，而不是作为错误直接返回。

写操作

在阻塞 I/O 情况下，write 函数返回的字节数，和输入的参数总是一样的。如果返回值总是和输入的数据大小一样，write 等写入函数还需要定义返回值吗？

这里就引出非阻塞 I/O。在非阻塞 I/O 的情况下，内核会尽最大可能从应用程序拷贝数据到发送缓冲区中，并立即从 write 等函数调用中返回。在拷贝动作发生的瞬间，有可能一个字符也没拷贝，也有可能所有请求字符都被拷贝完成，那么这个时候就需要返回一个数值，告诉应用程序到底有多少数据被成功拷贝到了发送缓冲区中，应用程序需要再次调用 write 函数，以输出未完成拷贝的字节。

write 等函数是可以同时作用到阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 上的，为了复用一个函数，处理非阻塞和阻塞 I/O 多种情况，设计出了写入返回值，并用这个返回值表示实际写入的数据大小。

也就是说，非阻塞 I/O 和阻塞 I/O 处理的方式是不一样的。

非阻塞 I/O 需要这样：拷贝→返回→再拷贝→再返回。

而阻塞 I/O 需要这样：拷贝→直到所有数据拷贝至发送缓冲区完成→返回。

不过在实战中可以不用区别阻塞和非阻塞 I/O，使用循环的方式来写入数据就好了。只不过在阻塞 I/O 的情况下，循环只执行一次就结束了。

/* 向文件描述符 fd 写入 n 字节数 */
ssize_t writen(int fd, const void * data, size_t n)
{
    size_t      nleft;
    ssize_t     nwritten;
    const char  *ptr;
 
    ptr = data;
    nleft = n;
    // 如果还有数据没被拷贝完成，就一直循环
    while (nleft > 0) {
        if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
           /* 这里 EINTR 是非阻塞 non-blocking 情况下，通知我们再次调用 write() */
            if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
                nwritten = 0;      
            else
                return -1;         /* 出错退出 */
        }
 
        /* 指针增大，剩下字节数变小 */
        nleft -= nwritten;
        ptr   += nwritten;
    }
    return n;
}

总结一下 read 和 write 在阻塞模式和非阻塞模式下的不同行为特性：

accept

当 accept 和 I/O 多路复用一起使用时，如果在监听套接字上触发事件，说明有连接建立完成，此时调用 accept 肯定可以返回已连接套接字。这样看来，似乎把监听套接字设置为非阻塞没有任何好处。

为了说明这个问题，我们构建一个客户端程序，其中最关键的是，一旦连接建立，设置 SO_LINGER 套接字选项，把 l_onoff 标志设置为 1，把 l_linger 时间设置为 0。这样，连接被关闭时，TCP 套接字上将会发送一个 RST。

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: nonblockingclient <IPaddress>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
    int connect_rt = connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
    if (connect_rt < 0) {
        error(1, errno, "connect failed ");
    }

    struct linger ling;
    ling.l_onoff = 1;
    ling.l_linger = 0;
    setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &ling, sizeof(ling));
    close(socket_fd);

    exit(0);
}

服务器端使用 select I/O 多路复用，不过，监听套接字仍然是 blocking 的。如果监听套接字上有事件发生，休眠 5 秒，以便模拟高并发场景下的情形。

if (FD_ISSET(listen_fd, &readset)) {
    printf("listening socket readable\n");
    sleep(5);
    struct sockaddr_storage ss;
    socklen_t slen = sizeof(ss);
    int fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *) &ss, &slen);

这里的休眠时间非常关键，在监听套接字上有可读事件发生时，并没有马上调用 accept。由于客户端发生了 RST 分节，该连接被接收端内核从自己的已完成队列中删除了，此时再调用 accept，由于没有已完成连接（假设没有其他已完成连接），accept 一直阻塞，更为严重的是，该线程再也没有机会对其他 I/O 事件进行分发，相当于该服务器无法对新连接和其他 I/O 进行服务。

如果我们将监听套接字设为非阻塞，上述的情形就不会再发生。只不过对于 accept 的返回值，需要正确地处理各种看似异常的错误，例如忽略 EWOULDBLOCK、EAGAIN 等。

这个例子给我们的启发是，一定要将监听套接字设置为非阻塞的，尽管这里休眠时间 5 秒有点夸张，但是在极端情况下处理不当的服务器程序是有可能碰到这种情况

connect

在非阻塞 TCP 套接字上调用 connect 函数，会立即返回一个 EINPROGRESS 错误。TCP 三次握手会正常进行，应用程序可以继续做其他初始化的事情。当该连接建立成功或者失败时，通过 I/O 多路复用 select、poll 等可以进行连接的状态检测。

非阻塞 I/O + select 多路复用

先在common.h中添加所需函数

// 创建非阻塞IO套接字
int tcp_nonblocking_server_listen(int port) {
    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    make_nonblocking(listenfd);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(port);

    int on = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    return listenfd;
}

void make_nonblocking(int fd) {
    fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
}

文稿中给出了一个非阻塞 I/O 搭配 select 多路复用的例子。

#include "common.h"

#define MAX_LINE 1024
#define FD_INIT_SIZE 128

char 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;
    else
        return c;
}

//数据缓冲区
struct Buffer {
    int connect_fd;  //连接字
    char buffer[MAX_LINE];  //实际缓冲
    size_t writeIndex;      //缓冲写入位置
    size_t readIndex;       //缓冲读取位置
    int readable;           //是否可以读
};


//分配一个Buffer对象，初始化writeIdnex和readIndex等
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;
}

//释放Buffer对象
void free_Buffer(struct Buffer *buffer) {
    free(buffer);
}

//这里从fd套接字读取数据，数据先读取到本地buf数组中，再逐个拷贝到buffer对象缓冲中
int onSocketRead(int fd, struct Buffer *buffer) {
    char buf[1024];
    int i;
    ssize_t result;
    while (1) {
        result = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (result <= 0)
            break;

        //按char对每个字节进行拷贝，每个字节都会先调用rot13_char来完成编码，之后拷贝到buffer对象的缓冲中，
        //其中writeIndex标志了缓冲中写的位置
        for (i = 0; i < result; ++i) {
            if (buffer->writeIndex < sizeof(buffer->buffer))
                buffer->buffer[buffer->writeIndex++] = rot13_char(buf[i]);
            //如果读取了回车符，则认为client端发送结束，此时可以把编码后的数据回送给客户端
            if (buf[i] == '\n') {
                buffer->readable = 1;  //缓冲区可以读
            }
        }
    }

    if (result == 0) {
        return 1;
    } else if (result < 0) {
        if (errno == EAGAIN)
            return 0;
        return -1;
    }

    return 0;
}

//从buffer对象的readIndex开始读，一直读到writeIndex的位置，这段区间是有效数据
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;
    }

    //readindex已经追上writeIndex，说明有效发送区间已经全部读完，将readIndex和writeIndex设置为0，复用这段缓冲
    if (buffer->readIndex == buffer->writeIndex)
        buffer->readIndex = buffer->writeIndex = 0;

    //缓冲数据已经全部读完，不需要再读
    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();
    }

    listen_fd = tcp_nonblocking_server_listen(SERV_PORT);//调用 fcntl 将监听套接字设置为非阻塞。

    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readset
        FD_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(5);
            struct sockaddr_storage ss;
            socklen_t slen = sizeof(ss);
            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 {
                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);
            }
        }
    }
}

实验

启动该服务器：

$./nonblockingserver

使用多个 telnet 客户端连接该服务器，可以验证交互正常。

$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...	
Connected to localhost.	
Escape character is '^]'.	
fasfasfasf	
snfsnfsnfs

总结

非阻塞 I/O 可以使用在 read、write、accept、connect 等多种不同的场景，在非阻塞 I/O 下，使用轮询的方式引起 CPU 占用率高，所以一般将非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用技术 select、poll 等搭配使用，在非阻塞 I/O 事件发生时，再调用对应事件的处理函数。这种方式，极大地提高了程序的健壮性和稳定性，是 Linux 下高性能网络编程的首选。