几种服务器端IO模型的简单介绍及实现

一些概念:

同步和异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的,同步指的是用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪,而异步是指用户进程触发I/O操作以后便开始做自己的事情,而当I/O操作已经完成的时候会得到I/O完成的通知。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候,根据I/O操作的就绪状态来采取的不同方式,说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

服务器端几种模型:

1、阻塞式模型(blocking IO)

我们第一次接触到的网络编程都是从 listen()、accpet()、send()、recv() 等接口开始的。使用这些接口可以很方便的构建C/S的模型。这里大部分的 socket 接口都是阻塞型的。所谓阻塞型接口是指系统调用(一般是 IO 接口)不返回调用结果并让当前线程一直阻塞,只有当该系统调用获得结果或者超时出错时才返回。

如下面一个简单的Server端实现:

#include <Winsock2.h>
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

#pragma  comment(lib,"ws2_32.lib")

int init_win_socket()
{
    WSADATA wsaData;

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2) , &wsaData ) != 0) 
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

#define Server_Port 10286

void handle_client(int newfd)
{
    while(1)
    {
        char buff[1024];
        memset(buff,0,1024);
        int result = recv(newfd,buff,1024,0);
        if(result <= 0)
        {
            break;
        }
        else
        {
            printf("Receive Data %s, Size: %d \n",buff,result);
            int ret = send(newfd,buff,result,0);
            if(ret>0)
            {
                printf("Send Data %s, Size: %d \n",buff,ret);
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
    }
    closesocket(newfd);
    return;
}

int run()
{
    int listener;
    struct sockaddr_in addr_server;

    listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = ADDR_ANY;
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_port = htons(Server_Port);

    if(bind(listener,(const sockaddr *)&addr_server,sizeof(addr_server)) < 0)
    {
        perror("bind error");
        return -1;
    }

    if (listen(listener, 10)<0) 
    {
        perror("listen error");
        return -1;
    }

    printf("Server is listening ... \n");

    bool runing = true;
    while(runing)
    {
        sockaddr_in addr_client;
        int clientlen = sizeof(addr_client);
        int client_sock;
        if ((client_sock = accept(listener, (struct sockaddr *) &addr_client, &clientlen)) < 0) 
        {
            printf("Failed to accept client connection \n");
        }
        fprintf(stdout, "Client connected: %s \n", inet_ntoa(addr_client.sin_addr));
        /*Handle this connect */
        handle_client(client_sock);
    }

    closesocket(listener);
    return 0;
}

int main(int c, char **v)
{

#ifdef WIN32
    init_win_socket();
#endif

    run();

    getchar();
    return 0;
}

示意图如下:

 这里的socket的接口是阻塞的(blocking),在线程被阻塞期间,线程将无法执行任何运算或响应任何的网络请求,这给多客户机、多业务逻辑的网络编程带来了挑战。

2、多线程的服务器模型(Multi-Thread)

应对多客户机的网络应用,最简单的解决方式是在服务器端使用多线程(或多进程)。多线程(或多进程)的目的是让每个连接都拥有独立的线程(或进程),这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。

多线程Server端的实现:

#include <Winsock2.h>
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

#pragma  comment(lib,"ws2_32.lib")

int init_win_socket()
{
    WSADATA wsaData;

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2) , &wsaData ) != 0) 
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

#define Server_Port 10286

DWORD WINAPI handle_client(LPVOID lppara)
{
    int *newfd = (int *)lppara;
    while(1)
    {
        char buff[1024];
        memset(buff,0,1024);
        int result = recv(*newfd,buff,1024,0);
        if(result <= 0)
        {
            break;
        }
        else
        {
            printf("Receive Data %s, Size: %d \n",buff,result);
            int ret = send(*newfd,buff,result,0);
            if(ret>0)
            {
                printf("Send Data %s, Size: %d \n",buff,ret);
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
        Sleep(10);
    }
    closesocket(*newfd);
    return 0;
}

int run()
{
    int listener;
    struct sockaddr_in addr_server;
    int sock_clients[1024]; //max number for accept client connection;

    listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = ADDR_ANY;
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_port = htons(Server_Port);

    if(bind(listener,(const sockaddr *)&addr_server,sizeof(addr_server)) < 0)
    {
        perror("bind error");
        return -1;
    }

    if (listen(listener, 10)<0) 
    {
        perror("listen error");
        return -1;
    }

    printf("Server is listening ... \n");

    int fd_count = 0;
    bool runing = true;
    while(runing)
    {
        sockaddr_in addr_client;
        int clientlen = sizeof(addr_client);
        int client_sock;
        if ((client_sock = accept(listener, (struct sockaddr *) &addr_client, &clientlen)) < 0) 
        {
            printf("Failed to accept client connection \n");
        }
        fprintf(stdout, "Client connected: socket fd %d , %s \n", client_sock,inet_ntoa(addr_client.sin_addr));
        /*Handle this connect */
        if(fd_count<1024)
        {
            sock_clients[fd_count] = client_sock;
            if(CreateThread(NULL,0,handle_client,&sock_clients[fd_count],0,NULL)==NULL)
                return -1;
            ++ fd_count;
        }

        Sleep(10);
    }

    closesocket(listener);
    return 0;
}

int main(int c, char **v)
{

#ifdef WIN32
    init_win_socket();
#endif

    run();

    getchar();
    return 0;
}

上述多线程的服务器模型可以解决一些连接量不大的多客户端连接请求,但是如果要同时响应成千上万路的连接请求,则无论多线程还是多进程都会严重占据系统资源,降低系统对外界响应效率。

在多线程的基础上,可以考虑使用“线程池”或“连接池”,“线程池”旨在减少创建和销毁线程的频率,其维持一定合理数量的线程,并让空闲的线程重新承担新的执行任务。“连接池”维持连接的缓存池,尽量重用已有的连接、减少创建和关闭连接的频率。这两种技术都可以很好的降低系统开销,都被广泛应用很多大型系统。

3、非阻塞式模型(Non-blocking IO)

非阻塞的接口相比于阻塞型接口的显著差异在于,在被调用之后立即返回。

非阻塞型IO的示意图如下: 

从应用程序的角度来说,blocking read 调用会延续很长时间。在内核执行读操作和其他工作时,应用程序会被阻塞。

非阻塞的IO可能并不会立即满足,需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高,因为在很多情况下,当内核执行这个命令时,应用程序必须要进行忙碌等待,直到数据可用为止。

另一个问题,在循环调用非阻塞IO的时候,将大幅度占用CPU,所以一般使用select等来检测”是否可以操作“。

4、多路复用IO

支持I/O复用的系统调用有select、poll、epoll、kqueue等,

这里以Select函数为例,select函数用于探测多个文件句柄的状态变化,以下为一个使用了使用了Select函数的Server实现:

#include <Winsock2.h>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

#pragma  comment(lib,"ws2_32.lib")

int init_win_socket()
{
    WSADATA wsaData;

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2) , &wsaData ) != 0) 
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

#define Server_Port 10286
#define MAX_LINE 16384

#define  FD_SETSIZE 1024

struct fd_state 
{
    char buffer[MAX_LINE];
    size_t buffer_used;

    int writing;
    size_t n_written;
    size_t write_upto;
};

struct fd_state * alloc_fd_state(void)
{
    struct fd_state *state = (struct fd_state *)malloc(sizeof(struct fd_state));
    if (!state)
        return NULL;
    state->buffer_used = state->n_written = state->writing =
        state->write_upto = 0;
    memset(state->buffer,0,MAX_LINE);
    return state;
}

void free_fd_state(struct fd_state *state)
{
    free(state);
}

int set_socket_nonblocking(int fd)
{
    unsigned long mode = 1;
    int result = ioctlsocket(fd, FIONBIO, &mode);
    if (result != 0)
    {
        return -1;
        printf("ioctlsocket failed with error: %ld\n", result);
    }
    return 0;
}

int do_read(int fd, struct fd_state *state)
{
    char buf[1024];
    int i;
    int result;
    while (1) 
    {
        memset(buf,0,1024);
        result = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (result <= 0)
            break;

        for (i=0; i < result; ++i)  
        {
            if (state->buffer_used < sizeof(state->buffer))
                state->buffer[state->buffer_used++] = buf[i];
        }
    }
    state->writing = 1;
    state->write_upto = state->buffer_used;
    printf("Receive data: %s  size: %d\n",state->buffer+state->n_written,state->write_upto-state->n_written);

    if (result == 0) 
    {
        return 1;
    } 
    else if (result < 0) 
    {
#ifdef WIN32
        if (result == -1 && WSAGetLastError()==WSAEWOULDBLOCK)
            return 0;
#else
        if (errno == EAGAIN)
            return 0;
#endif
        return -1;
    }

    return 0;
}

int do_write(int fd, struct fd_state *state)
{
    while (state->n_written < state->write_upto) 
    {
        int result = send(fd, state->buffer + state->n_written,
            state->write_upto - state->n_written, 0);
        if (result < 0) 
        {
#ifdef WIN32
            if (result == -1 && WSAGetLastError()==WSAEWOULDBLOCK)
                return 0;
#else
            if (errno == EAGAIN)
                return 0;
#endif
            return -1;
        }
        assert(result != 0);
        printf("Send data: %s \n",state->buffer+ state->n_written);
        state->n_written += result;
    }

    if (state->n_written == state->buffer_used)
        state->n_written = state->write_upto = state->buffer_used = 0;

    state->writing = 0;

    return 0;
}

void run()
{
    int listener;
    struct fd_state *state[FD_SETSIZE];
    struct sockaddr_in sin;
    int i, maxfd;
    fd_set readset, writeset, exset;

    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = 0;
    sin.sin_port = htons(Server_Port);

    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; ++i)
        state[i] = NULL;

    listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    set_socket_nonblocking(listener);

    int one = 1;
    setsockopt(listener, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,(const char *)&one, sizeof(one));

    if (bind(listener, (struct sockaddr*)&sin, sizeof(sin)) < 0) 
    {
        perror("bind");
        return;
    }

    if (listen(listener, 16)<0) 
    {
        perror("listen");
        return;
    }

    printf("Server is listening ... \n");

    FD_ZERO(&readset);
    FD_ZERO(&writeset);
    FD_ZERO(&exset);

    while (1) 
    {
        maxfd = listener;

        FD_ZERO(&readset);
        FD_ZERO(&writeset);
        FD_ZERO(&exset);

        FD_SET(listener, &readset);

        for (i=0; i < FD_SETSIZE; ++i) 
        {
            if (state[i]) 
            {
                if (i > maxfd)
                    maxfd = i;
                FD_SET(i, &readset);
                if (state[i]->writing) 
                {
                    FD_SET(i, &writeset);
                }
            }
        }

        if (select(maxfd+1, &readset, &writeset, &exset, NULL) < 0) 
        {
            perror("select");
            return;
        }

        //check if listener can accept
        if (FD_ISSET(listener, &readset)) 
        {
            struct sockaddr_in ss;
            int slen = sizeof(ss);
            int fd = accept(listener, (struct sockaddr*)&ss, &slen);
            if (fd < 0) 
            {
                perror("accept");
            } 
            else if(fd > FD_SETSIZE)
            {
                closesocket(fd);
            }
            else 
            {
                printf("Accept socket %d, address %s \n",fd,inet_ntoa(ss.sin_addr));
                set_socket_nonblocking(fd);
                state[fd] = alloc_fd_state();
                assert(state[fd]);
            }
        }

        //process read and write socket
        for (i=0; i < maxfd+1; ++i) 
        {
            int r = 0;
            if (i == listener)
                continue;

            if (FD_ISSET(i, &readset)) 
            {
                r = do_read(i, state[i]);
            }
            if (r == 0 && FD_ISSET(i, &writeset)) 
            {
                r = do_write(i, state[i]);
            }
            if (r) 
            {
                free_fd_state(state[i]);
                state[i] = NULL;
                closesocket(i);
            }
        }
    }
}

int main(int c, char **v)
{
#ifdef WIN32
    init_win_socket();
#endif

    run();
    return 0;
}

示意图如下:

这里Select监听的socket都是Non-blocking的,所以在do_read() do_write()中对返回为EAGAIN/WSAEWOULDBLOCK都做了处理。

从代码中可以看出使用Select返回后,仍然需要轮训再检测每个socket的状态(读、写),这样的轮训检测在大量连接下也是效率不高的。因为当需要探测的句柄值较大时,select () 接口本身需要消耗大量时间去轮询各个句柄。

很多操作系统提供了更为高效的接口,如 linux 提供 了 epoll,BSD 提供了 kqueue,Solaris 提供了 /dev/poll …。如果需要实现更高效的服务器程序,类似 epoll 这样的接口更被推荐。遗憾的是不同的操作系统特供的 epoll 接口有很大差异,所以使用类似于 epoll 的接口实现具有较好跨平台能力的服务器会比较困难。

5、使用事件驱动库libevent的服务器模型

Libevent 是一种高性能事件循环/事件驱动库。

为了实际处理每个请求,libevent 库提供一种事件机制,它作为底层网络后端的包装器。事件系统让为连接添加处理函数变得非常简便,同时降低了底层IO复杂性。这是 libevent 系统的核心。

创建 libevent 服务器的基本方法是,注册当发生某一操作(比如接受来自客户端的连接)时应该执行的函数,然后调用主事件循环 event_dispatch()。执行过程的控制现在由 libevent 系统处理。注册事件和将调用的函数之后,事件系统开始自治;在应用程序运行时,可以在事件队列中添加(注册)或 删除(取消注册)事件。事件注册非常方便,可以通过它添加新事件以处理新打开的连接,从而构建灵活的网络处理系统。

使用Libevent实现的一个回显服务器如下:

#include <event2/event.h>

#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

#define MAX_LINE 16384

void do_read(evutil_socket_t fd, short events, void *arg);
void do_write(evutil_socket_t fd, short events, void *arg);

struct fd_state 
{
    char buffer[MAX_LINE];
    size_t buffer_used;

    size_t n_written;
    size_t write_upto;

    struct event *read_event;
    struct event *write_event;
};

struct fd_state * alloc_fd_state(struct event_base *base, evutil_socket_t fd)
{
    struct fd_state *state = (struct fd_state *)malloc(sizeof(struct fd_state));
    if (!state)
    {
        return NULL;
    }

    state->read_event = event_new(base, fd, EV_READ|EV_PERSIST, do_read, state);
    if (!state->read_event) 
    {
        free(state);
        return NULL;
    }

    state->write_event = event_new(base, fd, EV_WRITE, do_write, state);
    if (!state->write_event) 
    {
        event_free(state->read_event);
        free(state);
        return NULL;
    }

    memset(state->buffer,0,MAX_LINE);
    state->buffer_used = state->n_written = state->write_upto = 0;

    return state;
}

void free_fd_state(struct fd_state *state)
{
    event_free(state->read_event);
    event_free(state->write_event);
    free(state);
}

void do_read(evutil_socket_t fd, short events, void *arg)
{
    struct fd_state *state = (struct fd_state *) arg;
    char buf[1024];
    int i;
    int result;
    assert(state->write_event);
    while(1)
    {
        memset(buf,0,1024);
        result = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (result <= 0)
        {
            break;
        }
        else
        {
            for (i=0; i < result; ++i)  
            {
                if (state->buffer_used < sizeof(state->buffer))
                    state->buffer[state->buffer_used++] = buf[i];
            }
        }
    }
    printf("receive data: %s  size: %d\n",state->buffer+state->n_written,state->write_upto-state->n_written);
    assert(state->write_event);
    event_add(state->write_event, NULL);
    state->write_upto = state->buffer_used;

    if (result == 0) 
    {
        printf("connect closed \n");
        free_fd_state(state);
    } 
    else if (result < 0) 
    {
#ifdef WIN32
        if (result == -1 && WSAGetLastError()==WSAEWOULDBLOCK)
            return;
#else
        if (errno == EAGAIN)
            return;
#endif
        perror("recv");
        free_fd_state(state);
    }
}

void do_write(evutil_socket_t fd, short events, void *arg)
{
    struct fd_state *state = (struct fd_state *)arg;

    while (state->n_written < state->write_upto) 
    {
        int result = send(fd, state->buffer + state->n_written,
            state->write_upto - state->n_written, 0);
        if (result < 0) 
        {
#ifdef WIN32
            if (result == -1 && WSAGetLastError()==WSAEWOULDBLOCK)
                return;
#else
            if (errno == EAGAIN)
                return;
#endif
            free_fd_state(state);
            return;
        }
        assert(result != 0);
        printf("send data: %s \n",state->buffer+ state->n_written);

        state->n_written += result;
    }

    //buffer is full
    if (state->n_written == state->buffer_used)
    {
        state->n_written = state->write_upto = state->buffer_used = 0;
        memset(state->buffer,0,MAX_LINE);
    }
}

void do_accept(evutil_socket_t listener, short event, void *arg)
{
    struct event_base *base = (struct event_base *)arg;
    struct sockaddr_in ss;
    int slen = sizeof(ss);
    int fd = accept(listener, (struct sockaddr*)&ss, &slen);
    if (fd > 0) 
    {
        printf("accept socket %d, address %s \n",fd,inet_ntoa(ss.sin_addr));
        struct fd_state *state;
        evutil_make_socket_nonblocking(fd);
        state = alloc_fd_state(base, fd);
        assert(state);
        assert(state->read_event);
        event_add(state->read_event, NULL);
    }
}

void run()
{
    int listener;
    struct sockaddr_in addr_server;
    struct event_base *base;
    struct event *listener_event;

    base = event_base_new();
    if (!base)
    {
        perror("event_base_new error");
        return; 
    }

    addr_server.sin_addr.S_un.S_addr = ADDR_ANY;
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_addr.s_addr = 0;
    addr_server.sin_port = htons(10286);

    listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    evutil_make_socket_nonblocking(listener);

    int one = 1;
    setsockopt(listener, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const char *)&one, sizeof(one));

    if (bind(listener, (struct sockaddr*)&addr_server, sizeof(addr_server)) < 0) 
    {
        perror("bind error");
        return;
    }

    if (listen(listener, 10)<0) 
    {
        perror("listen error");
        return;
    }

    printf("server is listening ... \n");

    listener_event = event_new(base, listener, EV_READ|EV_PERSIST, do_accept, (void*)base);
    event_add(listener_event, NULL);
    event_base_dispatch(base);
}

int init_win_socket()
{
    WSADATA wsaData;

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2) , &wsaData ) != 0) 
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main(int c, char **v)
{

#ifdef WIN32
    init_win_socket();
#endif

    run();

    getchar();
    return 0;
}

6、信号驱动IO模型(Signal-driven IO)

使用信号,让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知应用程序,称这种模型为信号驱动式I/O(signal-driven I/O)。

图示如下:

首先开启套接字的信号驱动式I/O功能,并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。该系统调用将立即返回,我们的进程继续工作,也就是说进程没有被阻塞。当数据报准备好读取时,内核就为该进程产生一个SIGIO信号。随后就可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报,并通知主循环数据已经准备好待处理,也可以立即通知主循环,让它读取数据报。

无论如何处理SIGIO信号,这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环可以继续执行 ,只要等到来自信号处理函数的通知:既可以是数据已准备好被处理,也可以是数据报已准备好被读取。

7、异步IO模型(asynchronous IO)

异步I/O(asynchronous I/O)由POSIX规范定义。演变成当前POSIX规范的各种早起标准所定义的实时函数中存在的差异已经取得一致。一般地说,这些函数的工作机制是:告知内核启动某个操作,并让内核在整个操作(包括将数据从内核复制到我们自己的缓冲区)完成后通知我们。这种模型与前一节介绍的信号驱动模型的主要区别在于:信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作,而异步I/O模型是由内核通知我们I/O操作何时完成。

示意图如下:

我们调用aio_read函数(POSIX异步I/O函数以aio_或lio_开头),给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小(与read相同的三个参数)和文件偏移(与lseek类似),并告诉内核当整个操作完成时如何通知我们。该系统调用立即返回,并且在等待I/O完成期间,我们的进程不被阻塞。本例子中我们假设要求内核在操作完成时产生某个信号,该信号直到数据已复制到应用进程缓冲区才产生,这一点不同于信号驱动I/O模型。

参考:

  • 《UNIX网络编程》
  • 使用 libevent 和 libev 提高网络应用性能:http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-libev/
  • 使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/


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