阻塞式IO與非阻塞式IO

套接字的默認狀態(tài)是阻塞的。可能阻塞套接字的調(diào)用可以分為下面4類：

• 輸入操作 包括read, readv, recv, recvfrom 和 recvmsg 共5個函數(shù)。
  如果某個進程對一個阻塞的TCP套接字調(diào)用這些函數(shù)，那么該套接字的接收緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)可讀，該進程將被投入睡眠，直到有一些數(shù)據(jù)達到。

  因為TCP是字節(jié)流協(xié)議，該進程的喚醒就是只要有一些數(shù)據(jù)到達，這些數(shù)據(jù)既可能是單個字節(jié)，也可以是一個完整的TCP分節(jié)中的數(shù)據(jù)。而對于UDP而言，因為UDP是數(shù)據(jù)報協(xié)議，直達有UDP數(shù)據(jù)報到達，進程才會被喚醒。

  所以對于非阻塞的套接字，如果輸入操作不能被滿足（對于TCP套接字即至少有一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，UDP套接字即有一個完整的數(shù)據(jù)報可讀），相應調(diào)用將立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤。

• 輸出操作 包括write, writev, send, sendto, sendmsg共5個函數(shù)。

  • 阻塞的TCP套接字，內(nèi)核將從應用進程的緩沖區(qū)到該套接字的發(fā)送緩沖區(qū)復制數(shù)據(jù)，如果其發(fā)送緩沖區(qū)中沒有空間，進程將被投入睡眠，直到有空間為止。
  • 非阻塞的TCP套接字，如果其發(fā)送緩沖區(qū)中沒有空間，輸出函數(shù)將立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤。如果其發(fā)送緩沖區(qū)有一些空間，返回值將是內(nèi)核能夠復制到該緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)。

  而對于UDP套接字，因為UDP套接字不存在真正的發(fā)送緩沖區(qū)，內(nèi)核只是復制應用進程數(shù)據(jù)并把他們向下沿著協(xié)議棧傳遞，逐漸冠以UDP首部和IP首部。因此對于UDP套接字，輸出函數(shù)不會因為TCP一樣的原因而阻塞。但是可能會因為其他原因而阻塞。

• 接受外來連接 accept函數(shù)
  對于 accept 函數(shù)，如果對一個阻塞的套接字調(diào)用 accept 函數(shù)，并且尚無新的連接到達，調(diào)用進程將被投入睡眠。

  while(true)
  {
      int c_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
      if (c_fd == -1)
      {
          if (errno != EWOULDBLOCK)   // 非阻塞accept的EWOULDBLOCK錯誤不處理
          {                               
              fprintf(stderr, "%s: %d: ", __FILE__, __LINE__); 
              perror("accept");
              break;             
          }                               
      }
  }
  

• 發(fā)起外出連接 connect 函數(shù)
  對于阻塞TCP套接字，connect 函數(shù)一直要等到三路握手完成才返回，這意味著每個connect 總會阻塞其調(diào)用進程至少一個到服務器的RTT時間。
  非阻塞的TCP套接字，當連接不能立即建立(有些連接可以立即建立)，那么連接的建立能照樣發(fā)起(發(fā)送三路握手的第一個分組)，不過會返回一個 EINPROGRESS 錯誤。

如何將套接字設置為非阻塞

在 Linux 平臺上，我們可以使用 fcntl() 函數(shù)或 ioctl() 函數(shù)給創(chuàng)建的 socket 增加 O_NONBLOCK 標志來將 socket 設置成非阻塞模式。

int oldSocketFlag = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
int newSocketFlag = oldSocketFlag | O_NONBLOCK;
fcntl(sockfd, F_SETFL,  newSocketFlag);

在 Linux 下的 socket 函數(shù)也可以直接在創(chuàng)建時將 socket 設置為非阻塞模式

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);

accept() 函數(shù)返回的代表與客戶端通信的 socket 也提供了一個擴展函數(shù) accept4()，直接將 accept 函數(shù)返回的 socket 設置成非阻塞的。

int clientfd = accept4(listenfd, &clientaddr, &addrlen, SOCK_NONBLOCK);

非阻塞下的 send / write 返回值意義

• send 0 字節(jié)
  send 函數(shù)發(fā)送 0 字節(jié)數(shù)據(jù)，協(xié)議棧并不會做什么動作。

int sent_bytes  = 0;
while (true)
{
    int ret = send(clientfd, buf + sent_bytes , buf_length - sent_bytes , 0);
    if (ret == -1)
    {
        // 非阻塞模式下send函數(shù)由于TCP窗口太小發(fā)不出去數(shù)據(jù)，錯誤碼是EWOULDBLOCK
        if (errno == EWOULDBLOCK)
        {
            // 嚴謹?shù)淖龇?，這里如果發(fā)不出去，應該緩存尚未發(fā)出去的數(shù)據(jù)
            std::cout << "send data error as TCP Window size is too small." << std::endl;
            break;
        }
        else if (errno == EINTR)
        {
            // 如果被信號中斷，我們繼續(xù)重試
            std::cout << "sending data interrupted by signal." << std::endl;
            continue;
        }
        else
        {
            std::cout << "send data error." << std::endl;
            break;
        }
    }
    else if (ret == 0)
    {
        // 對端關閉了連接，我們也關閉
        std::cout << "send data error." << std::endl;
        close(clientfd);
        break;
    }

    sent_bytes++;
    std::cout << "send data successfully, count = " << count << std::endl;

    // 稍稍降低 CPU 的使用率
    usleep(1);
}

非阻塞下 read / recv 返回值意義

while (true)
{
    char recvbuf[32] = {0};
    int ret = recv(clientfd, recvbuf, 32, 0);
    if (ret > 0)
    {
        // 收到了數(shù)據(jù)
        std::cout << "recv successfully." << std::endl;
    }
    else if (ret == 0)
    {
        // 對端關閉了連接
        std::cout << "peer close the socket." << std::endl;
        break;
    }
    else if (ret == -1)
    {
        if (errno == EWOULDBLOCK)
        {
            std::cout << "There is no data available now." << std::endl;
            continue;
        }
        else if (errno == EINTR)
        {
            // 如果被信號中斷了，則繼續(xù)重試recv函數(shù)
            std::cout << "recv data interrupted by signal." << std::endl;
            continue;
        }
        else
        {
            // 真的出錯了
            break;
        }
    }
}

參考資料
《UNIX 網(wǎng)絡編程》3th [美] W.Richard Stevens，Bill Fenner，Andrew M. Rudoff