linuxsocket非阻塞
1. linux系統I/O模型及select、poll、epoll原理和應用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解這些IO模型設計的依據
操作系統使用虛擬內存來映射物理內存，對於32位的操作系統來說，虛擬地址空間為4G（2^32）。操作系統的核心是內核，為了保護用戶進程不能直接操作內核，保證內核安全，操作系統將虛擬地址空間劃分為內核空間和用戶空間。內核可以訪問全部的地址空間，擁有訪問底層硬體設備的許可權，普通的應用程序需要訪問硬體設備必須通過 系統調用 來實現。
對於Linux系統來說，將虛擬內存的最高1G位元組的空間作為內核空間僅供內核使用，低3G位元組的空間供用戶進程使用，稱為用戶空間。
又被稱為標准I/O，大多數文件系統的默認I/O都是緩存I/O。在Linux系統的緩存I/O機制中，操作系統會將I/O的數據緩存在頁緩存（內存）中，也就是數據先被拷貝到內核的緩沖區（內核地址空間），然後才會從內核緩沖區拷貝到應用程序的緩沖區（用戶地址空間）。
這種方式很明顯的缺點就是數據傳輸過程中需要再應用程序地址空間和內核空間進行多次數據拷貝操作，這些操作帶來的CPU以及內存的開銷是非常大的。
由於Linux系統採用的緩存I/O模式，對於一次I/O訪問，以讀操作舉例，數據先會被拷貝到內核緩沖區，然後才會從內核緩沖區拷貝到應用程序的緩存區，當一個read系統調用發生的時候，會經歷兩個階段：
正是因為這兩個狀態，Linux系統才產生了多種不同的網路I/O模式的方案
Linux系統默認情況下所有socke都是blocking的，一個讀操作流程如下：
以UDP socket為例，當用戶進程調用了recvfrom系統調用，如果數據還沒准備好，應用進程被阻塞，內核直到數據到來且將數據從內核緩沖區拷貝到了應用進程緩沖區，然後向用戶進程返回結果，用戶進程才解除block狀態，重新運行起來。
阻塞模行下只是阻塞了當前的應用進程，其他進程還可以執行，不消耗CPU時間，CPU的利用率較高。
Linux可以設置socket為非阻塞的，非阻塞模式下執行一個讀操作流程如下：
當用戶進程發出recvfrom系統調用時，如果kernel中的數據還沒准備好，recvfrom會立即返回一個error結果，不會阻塞用戶進程，用戶進程收到error時知道數據還沒准備好，過一會再調用recvfrom，直到kernel中的數據准備好了，內核就立即將數據拷貝到用戶內存然後返回ok，這個過程需要用戶進程去輪詢內核數據是否准備好。
非阻塞模型下由於要處理更多的系統調用，因此CPU利用率比較低。
應用進程使用sigaction系統調用，內核立即返回，等到kernel數據准備好時會給用戶進程發送一個信號，告訴用戶進程可以進行IO操作了，然後用戶進程再調用IO系統調用如recvfrom，將數據從內核緩沖區拷貝到應用進程。流程如下：
相比於輪詢的方式，不需要多次系統調用輪詢，信號驅動IO的CPU利用率更高。
非同步IO模型與其他模型最大的區別是，非同步IO在系統調用返回的時候所有操作都已經完成，應用進程既不需要等待數據准備，也不需要在數據到來後等待數據從內核緩沖區拷貝到用戶緩沖區，流程如下：
在數據拷貝完成後，kernel會給用戶進程發送一個信號告訴其read操作完成了。
是用select、poll等待數據，可以等待多個socket中的任一個變為可讀，這一過程會被阻塞，當某個套接字數據到來時返回，之後再用recvfrom系統調用把數據從內核緩存區復制到用戶進程，流程如下：
流程類似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一個系統調用，但是IO多路復用最大的特點是讓單個進程能同時處理多個IO事件的能力，又被稱為事件驅動IO，相比於多線程模型，IO復用模型不需要線程的創建、切換、銷毀，系統開銷更小，適合高並發的場景。
select是IO多路復用模型的一種實現，當select函數返回後可以通過輪詢fdset來找到就緒的socket。
優點是幾乎所有平台都支持，缺點在於能夠監聽的fd數量有限，Linux系統上一般為1024，是寫死在宏定義中的，要修改需要重新編譯內核。而且每次都要把所有的fd在用戶空間和內核空間拷貝，這個操作是比較耗時的。
poll和select基本相同，不同的是poll沒有最大fd數量限制（實際也會受到物理資源的限制，因為系統的fd數量是有限的），而且提供了更多的時間類型。
總結：select和poll都需要在返回後通過輪詢的方式檢查就緒的socket，事實上同時連的大量socket在一個時刻只有很少的處於就緒狀態，因此隨著監視的描述符數量的變多，其性能也會逐漸下降。
epoll是select和poll的改進版本，更加靈活，沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關系的文件描述符的事件存放到內核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內核空間的只需一次。
epoll_create()用來創建一個epoll句柄。
epoll_ctl() 用於向內核注冊新的描述符或者是改變某個文件描述符的狀態。已注冊的描述符在內核中會被維護在一棵紅黑樹上，通過回調函數內核會將 I/O 准備好的描述符加入到一個就緒鏈表中管理。
epoll_wait() 可以從就緒鏈表中得到事件完成的描述符，因此進程不需要通過輪詢來獲得事件完成的描述符。
當epoll_wait檢測到描述符IO事件發生並且通知給應用程序時，應用程序可以不立即處理該事件，下次調用epoll_wait還會再次通知該事件，支持block和nonblocking socket。
當epoll_wait檢測到描述符IO事件發生並且通知給應用程序時，應用程序需要立即處理該事件，如果不立即處理，下次調用epoll_wait不會再次通知該事件。
ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發的次數，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時候，必須使用nonblocking socket，以避免由於一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll詳解
【GitHub】 CyC2018/CS-Notes
2. linux網路編程，為什麼要將文件描述符設置成非阻塞模式
非阻塞IO 和阻塞IO：
在網路編程中對於一個網路句柄會遇到阻塞IO 和非阻塞IO 的概念, 這里對於這兩種socket 先做一下說明：
基本概念：
阻塞IO::
socket 的阻塞模式意味著必須要做完IO 操作（包括錯誤）才會
返回。
非阻塞IO::
非阻塞模式下無論操作是否完成都會立刻返回，需要通過其他方
式來判斷具體操作是否成功。(對於connect，accpet操作，通過select判斷，
對於recv，recvfrom，send，sendto通過返回值+錯誤碼來判斷)
IO模式設置：
SOCKET
對於一個socket 是阻塞模式還是非阻塞模式的處理方法::
方法：：
用fcntl 設置;用F_GETFL獲取flags,用F_SETFL設置flags|O_NONBLOCK;
同時，recv,send 時使用非阻塞的方式讀取和發送消息，即flags設置為MSG_DONTWAIT
實現
fcntl 函數可以將一個socket 句柄設置成非阻塞模式:
flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); //獲取文件的flags值。
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); //設置成非阻塞模式；
flags = fcntl(sockfd,F_GETFL,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,flags&~O_NONBLOCK); //設置成阻塞模式；
並在接收和發送數據時:
將recv, send 函數的最後有一個flag 參數設置成MSG_DONTWAIT
recv(sockfd, buff, buff_size,MSG_DONTWAIT); //非阻塞模式的消息發送
send(scokfd, buff, buff_size, MSG_DONTWAIT); //非阻塞模式的消息接受
普通文件
對於文件的阻塞模式還是非阻塞模式::
方法1、open時，使用O_NONBLOCK；
方法2、fcntl設置，使用F_SETFL，flags|O_NONBLOCK；
消息隊列
對於消息隊列消息的發送與接受::
//非阻塞 msgsnd(sockfd,msgbuf,msgsize(不包含類型大小),IPC_NOWAIT)
//阻塞 msgrcv(scokfd,msgbuf,msgsize(**),msgtype,IPC_NOWAIT);
讀
阻塞與非阻塞讀的區別: //阻塞和非阻塞的區別在於沒有數據到達的時候是否立刻返回．
讀(read/recv/msgrcv):
讀的本質來說其實不能是讀,在實際中, 具體的接收數據不是由這些調用來進行,是由於系統底層自動完成的。read 也好,recv 也好只負責把數據從底層緩沖 到我們指定的位置.
對於讀來說(read, 或者recv) ::
阻塞情況下::
在阻塞條件下，read/recv/msgrcv的行為::
1、如果沒有發現數據在網路緩沖中會一直等待，
2、當發現有數據的時候會把數據讀到用戶指定的緩沖區，但是如果這個時候讀到的數據量比較少，比參數中指定的長度要小，read 並不會一直等待下去，而是立刻返回。
read 的原則::是數據在不超過指定的長度的時候有多少讀多少，沒有數據就會一直等待。
所以一般情況下::我們讀取數據都需要採用循環讀的方式讀取數據，因為一次read 完畢不能保證讀到我們需要長度的數據，
read 完一次需要判斷讀到的數據長度再決定是否還需要再次讀取。
非阻塞情況下::
在非阻塞的情況下，read 的行為::
1、如果發現沒有數據就直接返回，
2、如果發現有數據那麼也是採用有多少讀多少的進行處理．
所以::read 完一次需要判斷讀到的數據長度再決定是否還需要再次讀取。
對於讀而言:: 阻塞和非阻塞的區別在於沒有數據到達的時候是否立刻返回．
recv 中有一個MSG_WAITALL 的參數::
recv(sockfd, buff, buff_size, MSG_WAITALL),
在正常情況下recv 是會等待直到讀取到buff_size 長度的數據，但是這里的WAITALL 也只是盡量讀全，在有中斷的情況下recv 還是可能會被打斷，造成沒有讀完指定的buff_size的長度。
所以即使是採用recv + WAITALL 參數還是要考慮是否需要循環讀取的問題，在實驗中對於多數情況下recv (使用了MSG_WAITALL)還是可以讀完buff_size，
所以相應的性能會比直接read 進行循環讀要好一些。
注意:: //使用MSG_WAITALL時，sockfd必須處於阻塞模式下，否則不起作用。
//所以MSG_WAITALL不能和MSG_NONBLOCK同時使用。
要注意的是使用MSG_WAITALL的時候，sockfd 必須是處於阻塞模式下，否則WAITALL不能起作用。
寫
阻塞與非阻塞寫的區別: //
寫(send/write/msgsnd)::
寫的本質也不是進行發送操作,而是把用戶態的數據 到系統底層去,然後再由系統進行發送操作,send，write返回成功，只表示數據已經 到底層緩沖,而不表示數據已經發出,更不能表示對方埠已經接收到數據.
對於write(或者send)而言，
阻塞情況下:: //阻塞情況下，write會將數據發送完。(不過可能被中斷)
在阻塞的情況下，是會一直等待，直到write 完，全部的數據再返回．這點行為上與讀操作有所不同。
原因::
讀，究其原因主要是讀數據的時候我們並不知道對端到底有沒有數據，數據是在什麼時候結束發送的，如果一直等待就可能會造成死循環，所以並沒有去進行這方面的處理；
寫，而對於write, 由於需要寫的長度是已知的，所以可以一直再寫，直到寫完．不過問題是write 是可能被打斷嗎，造成write 一次只write 一部分數據, 所以write 的過程還是需要考慮循環write, 只不過多數情況下一次write 調用就可能成功.
非阻塞寫的情況下:: //
非阻塞寫的情況下，是採用可以寫多少就寫多少的策略．與讀不一樣的地方在於，有多少讀多少是由網路發送的那一端是否有數據傳輸到為標准，但是對於可以寫多少是由本地的網路堵塞情況為標準的，在網路阻塞嚴重的時候，網路層沒有足夠的內存來進行寫操作，這時候就會出現寫不成功的情況，阻塞情況下會盡可能(有可能被中斷)等待到數據全部發送完畢， 對於非阻塞的情況就是一次寫多少算多少,沒有中斷的情況下也還是會出現write 到一部分的情況.
3. recv是阻塞還是非阻塞的
網路編程函數如recv是阻塞（同步）還是非阻塞（非同步）取決於在調用recv函數前創建的套接字socket是阻塞還是非阻塞。socket默認創建時設定為阻塞模式；若要將socket設定為非阻塞模式，可以在socket創建時設定為非阻塞模式，那麼函數recv就是非阻塞的。
可以通過一下幾種方法設定socket為非阻塞：
1.linux平台可以在利用socket()函數創建socket時指定socket是非同步（非阻塞）的：
int socket(int domain, int type, int protocol);
在參數type中設置SOCK_NONBLOCK標志即可，例如：
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);
2.windows和linux平台accept()函數返回的socekt也是阻塞的，linux另外提供了一個accept4()函數，可以直接將socket設置為非阻塞模式：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);
只要將accept4()最後一個參數flags設置成SOCK_NONBLOCK即可。
3.除了在創建socket時，將socket設置為非阻塞模式，還可以通過以下函數來設置：
linux平台可以調用fcntl()或ioctl()函數，例如：
fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFL, 0) | O_NONBLOCK);
ioctl(sockfd, FIONBIO, 1); //1:非阻塞 0:阻塞
windows平台可調用ioctlsocket函數：
int ioctlsocket(
_In_ SOCKET s,
_In_ long cmd,
_Inout_ u_long *argp
);
將cmd參數設置為FIONBIO，*argp=0即設置成阻塞模式，而*argp非0即可設置成非阻塞模式。但windows平台一個地方需要注意，如果對一個socket調用了WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()函數後，你再調用ioctlsocket()函數將該socket設置為阻塞模式，則會失敗，必須先調用WSAAsyncSelect()設置lEvent參數為0或調用WSAEventSelect()設置lNetworkEvents參數為0來分別禁用WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()，再次調用ioctlsocket()將該socket設置成阻塞模式才會成功。因為調用WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()函數會自動將socket設置成非阻塞模式。
4. socket通信可不可以Server端設成非阻塞方式，Client端設成阻塞模式
Windows用socket設置非阻塞式 ：
unsigned long ul=1;
SOCKET s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
int ret=ioctlsocket(s, FIONBIO, (unsigned long *)&ul);//設置非阻塞模式
if(ret==SOCKET_ERROR)//設置失敗
{
}
Linux用socket設置非阻塞式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
用socket設置非阻塞式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
非阻塞設置阻塞用
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
功能描述：根據文件描述詞操作文件特性
用：
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
參數：
fd：文件描述詞
cmd：操作命令
arg：供命令使用參數
lock：同
操作命令供使用
. F_DUPFD ：復制文件描述詞
二. FD_CLOEXEC ：設置close-on-exec標志FD_CLOEXEC位0執行execve程文件保持打反則關閉
三. F_GETFD ：讀取文件描述詞標志
四. F_SETFD ：設置文件描述詞標志
五. F_GETFL ：讀取文件狀態標志
六. F_SETFL ：設置文件狀態標志
其O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR O_CREAT O_EXCL O_NOCTTY O_TRUNC受影響
更改標志 O_APPENDO_ASYNC O_DIRECT O_NOATIME O_NONBLOCK
七. F_GETLK, F_SETLK F_SETLKW ：獲取釋放或測試記錄鎖使用參數結構體指針：
F_SETLK：指定位元組范圍獲取鎖(F_RDLCK, F_WRLCK)或者釋放鎖(F_UNLCK)與另進程鎖操作發沖突返 -1並errno設置EACCES或EAGAIN
F_SETLKW：行同F_SETLK除能獲取鎖睡眠等待外等待程接收信號立即返並errno置EINTR
F_GETLK：獲取文件鎖信息
F_UNLCK：釋放文件鎖
設置讀鎖文件必須讀式打設置寫鎖文件必須寫式打設置讀寫鎖文件必須讀寫式打
5. Linux 怎樣實現非阻塞connect
1. 設置socket
int oldOption = fcntl(sockfd, F_GETFL);
int newOption = oldOption | O_NONBLOCK;
//設置sockfd非阻塞
fcntl(sockfd, F_SETFL, newOption);12345
2. 執行connect
如果返回0，表示連接成功，這種情況一般在本機上連接時會出現(否則怎麼可能那麼快)
否則，查看error是否等於EINPROGRESS(表明正在進行連接中)，如果不等於，則連接失敗
int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if(ret == 0)
{
//連接成功
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);
return sockfd;
}
else if(errno != EINPROGRESS)
{
//連接沒有立即返回，此時errno若不是EINPROGRESS，表明錯誤
perror("connect error != EINPROGRESS");
return -1;
}12345678910111213141516
3. 使用select，如果沒用過select可以去看看
用select對socket的讀寫進行監聽
那麼監聽結果有四種可能
1. 可寫(當連接成功後，sockfd就會處於可寫狀態，此時表示連接成功)
2. 可讀可寫(在出錯後，sockfd會處於可讀可寫狀態，但有一種特殊情況見第三條)
3. 可讀可寫(我們可以想像，在我們connect執行完到select開始監聽的這段時間內，
如果連接已經成功，並且服務端發送了數據，那麼此時sockfd就是可讀可寫的，
因此我們需要對這種情況特殊判斷)
說白了，在可讀可寫時，我們需要甄別此時是否已經連接成功，我們採用這種方案：
再次執行connect，然後查看error是否等於EISCONN(表示已經連接到該套接字)。
4. 錯誤
if(FD_ISSET(sockfd, &writeFds))
{
//可讀可寫有兩種可能，一是連接錯誤，二是在連接後服務端已有數據傳來
if(FD_ISSET(sockfd, &readFds))
{
if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) != 0)
{
int error=0;
socklen_t length = sizeof(errno);
//調用getsockopt來獲取並清除sockfd上的錯誤.
if(getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &length) < 0)
{
printf("get socket option failed\n");
close(sockfd);
return -1;
}
if(error != EISCONN)
{
perror("connect error != EISCONN");
close(sockfd);
return -1;
}
}
}
//此時已排除所有錯誤可能，表明連接成功
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);
return sockfd;
}0
4. 恢復socket
因為我們只是需要將連接操作變為非阻塞，並不包括讀寫等，所以我們吃醋要將socket重新設置。
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);關於Linux命令的介紹，看看《linux就該這么學》，具體關於這一章地址3w(dot)linuxprobe/chapter-02(dot)html