linuxsocket非阻塞
1. linux系统I/O模型及select、poll、epoll原理和应用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解这些IO模型设计的依据
操作系统使用虚拟内存来映射物理内存，对于32位的操作系统来说，虚拟地址空间为4G（2^32）。操作系统的核心是内核，为了保护用户进程不能直接操作内核，保证内核安全，操作系统将虚拟地址空间划分为内核空间和用户空间。内核可以访问全部的地址空间，拥有访问底层硬件设备的权限，普通的应用程序需要访问硬件设备必须通过 系统调用 来实现。
对于Linux系统来说，将虚拟内存的最高1G字节的空间作为内核空间仅供内核使用，低3G字节的空间供用户进程使用，称为用户空间。
又被称为标准I/O，大多数文件系统的默认I/O都是缓存I/O。在Linux系统的缓存I/O机制中，操作系统会将I/O的数据缓存在页缓存（内存）中，也就是数据先被拷贝到内核的缓冲区（内核地址空间），然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区（用户地址空间）。
这种方式很明显的缺点就是数据传输过程中需要再应用程序地址空间和内核空间进行多次数据拷贝操作，这些操作带来的CPU以及内存的开销是非常大的。
由于Linux系统采用的缓存I/O模式，对于一次I/O访问，以读操作举例，数据先会被拷贝到内核缓冲区，然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓存区，当一个read系统调用发生的时候，会经历两个阶段：
正是因为这两个状态，Linux系统才产生了多种不同的网络I/O模式的方案
Linux系统默认情况下所有socke都是blocking的，一个读操作流程如下：
以UDP socket为例，当用户进程调用了recvfrom系统调用，如果数据还没准备好，应用进程被阻塞，内核直到数据到来且将数据从内核缓冲区拷贝到了应用进程缓冲区，然后向用户进程返回结果，用户进程才解除block状态，重新运行起来。
阻塞模行下只是阻塞了当前的应用进程，其他进程还可以执行，不消耗CPU时间，CPU的利用率较高。
Linux可以设置socket为非阻塞的，非阻塞模式下执行一个读操作流程如下：
当用户进程发出recvfrom系统调用时，如果kernel中的数据还没准备好，recvfrom会立即返回一个error结果，不会阻塞用户进程，用户进程收到error时知道数据还没准备好，过一会再调用recvfrom，直到kernel中的数据准备好了，内核就立即将数据拷贝到用户内存然后返回ok，这个过程需要用户进程去轮询内核数据是否准备好。
非阻塞模型下由于要处理更多的系统调用，因此CPU利用率比较低。
应用进程使用sigaction系统调用，内核立即返回，等到kernel数据准备好时会给用户进程发送一个信号，告诉用户进程可以进行IO操作了，然后用户进程再调用IO系统调用如recvfrom，将数据从内核缓冲区拷贝到应用进程。流程如下：
相比于轮询的方式，不需要多次系统调用轮询，信号驱动IO的CPU利用率更高。
异步IO模型与其他模型最大的区别是，异步IO在系统调用返回的时候所有操作都已经完成，应用进程既不需要等待数据准备，也不需要在数据到来后等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，流程如下：
在数据拷贝完成后，kernel会给用户进程发送一个信号告诉其read操作完成了。
是用select、poll等待数据，可以等待多个socket中的任一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某个套接字数据到来时返回，之后再用recvfrom系统调用把数据从内核缓存区复制到用户进程，流程如下：
流程类似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一个系统调用，但是IO多路复用最大的特点是让单个进程能同时处理多个IO事件的能力，又被称为事件驱动IO，相比于多线程模型，IO复用模型不需要线程的创建、切换、销毁，系统开销更小，适合高并发的场景。
select是IO多路复用模型的一种实现，当select函数返回后可以通过轮询fdset来找到就绪的socket。
优点是几乎所有平台都支持，缺点在于能够监听的fd数量有限，Linux系统上一般为1024，是写死在宏定义中的，要修改需要重新编译内核。而且每次都要把所有的fd在用户空间和内核空间拷贝，这个操作是比较耗时的。
poll和select基本相同，不同的是poll没有最大fd数量限制（实际也会受到物理资源的限制，因为系统的fd数量是有限的），而且提供了更多的时间类型。
总结：select和poll都需要在返回后通过轮询的方式检查就绪的socket，事实上同时连的大量socket在一个时刻只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的变多，其性能也会逐渐下降。
epoll是select和poll的改进版本，更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的只需一次。
epoll_create()用来创建一个epoll句柄。
epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个就绪链表中管理。
epoll_wait() 可以从就绪链表中得到事件完成的描述符，因此进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件，下次调用epoll_wait还会再次通知该事件，支持block和nonblocking socket。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序需要立即处理该事件，如果不立即处理，下次调用epoll_wait不会再次通知该事件。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用nonblocking socket，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
【GitHub】 CyC2018/CS-Notes
2. linux网络编程，为什么要将文件描述符设置成非阻塞模式
非阻塞IO 和阻塞IO：
在网络编程中对于一个网络句柄会遇到阻塞IO 和非阻塞IO 的概念, 这里对于这两种socket 先做一下说明：
基本概念：
阻塞IO::
socket 的阻塞模式意味着必须要做完IO 操作（包括错误）才会
返回。
非阻塞IO::
非阻塞模式下无论操作是否完成都会立刻返回，需要通过其他方
式来判断具体操作是否成功。(对于connect，accpet操作，通过select判断，
对于recv，recvfrom，send，sendto通过返回值+错误码来判断)
IO模式设置：
SOCKET
对于一个socket 是阻塞模式还是非阻塞模式的处理方法::
方法：：
用fcntl 设置;用F_GETFL获取flags,用F_SETFL设置flags|O_NONBLOCK;
同时，recv,send 时使用非阻塞的方式读取和发送消息，即flags设置为MSG_DONTWAIT
实现
fcntl 函数可以将一个socket 句柄设置成非阻塞模式:
flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); //获取文件的flags值。
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); //设置成非阻塞模式；
flags = fcntl(sockfd,F_GETFL,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,flags&~O_NONBLOCK); //设置成阻塞模式；
并在接收和发送数据时:
将recv, send 函数的最后有一个flag 参数设置成MSG_DONTWAIT
recv(sockfd, buff, buff_size,MSG_DONTWAIT); //非阻塞模式的消息发送
send(scokfd, buff, buff_size, MSG_DONTWAIT); //非阻塞模式的消息接受
普通文件
对于文件的阻塞模式还是非阻塞模式::
方法1、open时，使用O_NONBLOCK；
方法2、fcntl设置，使用F_SETFL，flags|O_NONBLOCK；
消息队列
对于消息队列消息的发送与接受::
//非阻塞 msgsnd(sockfd,msgbuf,msgsize(不包含类型大小),IPC_NOWAIT)
//阻塞 msgrcv(scokfd,msgbuf,msgsize(**),msgtype,IPC_NOWAIT);
读
阻塞与非阻塞读的区别: //阻塞和非阻塞的区别在于没有数据到达的时候是否立刻返回．
读(read/recv/msgrcv):
读的本质来说其实不能是读,在实际中, 具体的接收数据不是由这些调用来进行,是由于系统底层自动完成的。read 也好,recv 也好只负责把数据从底层缓冲 到我们指定的位置.
对于读来说(read, 或者recv) ::
阻塞情况下::
在阻塞条件下，read/recv/msgrcv的行为::
1、如果没有发现数据在网络缓冲中会一直等待，
2、当发现有数据的时候会把数据读到用户指定的缓冲区，但是如果这个时候读到的数据量比较少，比参数中指定的长度要小，read 并不会一直等待下去，而是立刻返回。
read 的原则::是数据在不超过指定的长度的时候有多少读多少，没有数据就会一直等待。
所以一般情况下::我们读取数据都需要采用循环读的方式读取数据，因为一次read 完毕不能保证读到我们需要长度的数据，
read 完一次需要判断读到的数据长度再决定是否还需要再次读取。
非阻塞情况下::
在非阻塞的情况下，read 的行为::
1、如果发现没有数据就直接返回，
2、如果发现有数据那么也是采用有多少读多少的进行处理．
所以::read 完一次需要判断读到的数据长度再决定是否还需要再次读取。
对于读而言:: 阻塞和非阻塞的区别在于没有数据到达的时候是否立刻返回．
recv 中有一个MSG_WAITALL 的参数::
recv(sockfd, buff, buff_size, MSG_WAITALL),
在正常情况下recv 是会等待直到读取到buff_size 长度的数据，但是这里的WAITALL 也只是尽量读全，在有中断的情况下recv 还是可能会被打断，造成没有读完指定的buff_size的长度。
所以即使是采用recv + WAITALL 参数还是要考虑是否需要循环读取的问题，在实验中对于多数情况下recv (使用了MSG_WAITALL)还是可以读完buff_size，
所以相应的性能会比直接read 进行循环读要好一些。
注意:: //使用MSG_WAITALL时，sockfd必须处于阻塞模式下，否则不起作用。
//所以MSG_WAITALL不能和MSG_NONBLOCK同时使用。
要注意的是使用MSG_WAITALL的时候，sockfd 必须是处于阻塞模式下，否则WAITALL不能起作用。
写
阻塞与非阻塞写的区别: //
写(send/write/msgsnd)::
写的本质也不是进行发送操作,而是把用户态的数据 到系统底层去,然后再由系统进行发送操作,send，write返回成功，只表示数据已经 到底层缓冲,而不表示数据已经发出,更不能表示对方端口已经接收到数据.
对于write(或者send)而言，
阻塞情况下:: //阻塞情况下，write会将数据发送完。(不过可能被中断)
在阻塞的情况下，是会一直等待，直到write 完，全部的数据再返回．这点行为上与读操作有所不同。
原因::
读，究其原因主要是读数据的时候我们并不知道对端到底有没有数据，数据是在什么时候结束发送的，如果一直等待就可能会造成死循环，所以并没有去进行这方面的处理；
写，而对于write, 由于需要写的长度是已知的，所以可以一直再写，直到写完．不过问题是write 是可能被打断吗，造成write 一次只write 一部分数据, 所以write 的过程还是需要考虑循环write, 只不过多数情况下一次write 调用就可能成功.
非阻塞写的情况下:: //
非阻塞写的情况下，是采用可以写多少就写多少的策略．与读不一样的地方在于，有多少读多少是由网络发送的那一端是否有数据传输到为标准，但是对于可以写多少是由本地的网络堵塞情况为标准的，在网络阻塞严重的时候，网络层没有足够的内存来进行写操作，这时候就会出现写不成功的情况，阻塞情况下会尽可能(有可能被中断)等待到数据全部发送完毕， 对于非阻塞的情况就是一次写多少算多少,没有中断的情况下也还是会出现write 到一部分的情况.
3. recv是阻塞还是非阻塞的
网络编程函数如recv是阻塞（同步）还是非阻塞（异步）取决于在调用recv函数前创建的套接字socket是阻塞还是非阻塞。socket默认创建时设定为阻塞模式；若要将socket设定为非阻塞模式，可以在socket创建时设定为非阻塞模式，那么函数recv就是非阻塞的。
可以通过一下几种方法设定socket为非阻塞：
1.linux平台可以在利用socket()函数创建socket时指定socket是异步（非阻塞）的：
int socket(int domain, int type, int protocol);
在参数type中设置SOCK_NONBLOCK标志即可，例如：
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);
2.windows和linux平台accept()函数返回的socekt也是阻塞的，linux另外提供了一个accept4()函数，可以直接将socket设置为非阻塞模式：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);
只要将accept4()最后一个参数flags设置成SOCK_NONBLOCK即可。
3.除了在创建socket时，将socket设置为非阻塞模式，还可以通过以下函数来设置：
linux平台可以调用fcntl()或ioctl()函数，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平台可调用ioctlsocket函数：
int ioctlsocket(
_In_ SOCKET s,
_In_ long cmd,
_Inout_ u_long *argp
);
将cmd参数设置为FIONBIO，*argp=0即设置成阻塞模式，而*argp非0即可设置成非阻塞模式。但windows平台一个地方需要注意，如果对一个socket调用了WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()函数后，你再调用ioctlsocket()函数将该socket设置为阻塞模式，则会失败，必须先调用WSAAsyncSelect()设置lEvent参数为0或调用WSAEventSelect()设置lNetworkEvents参数为0来分别禁用WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()，再次调用ioctlsocket()将该socket设置成阻塞模式才会成功。因为调用WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()函数会自动将socket设置成非阻塞模式。
4. socket通信可不可以Server端设成非阻塞方式，Client端设成阻塞模式
Windows用socket设置非阻塞式 ：
unsigned long ul=1;
SOCKET s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
int ret=ioctlsocket(s, FIONBIO, (unsigned long *)&ul);//设置非阻塞模式
if(ret==SOCKET_ERROR)//设置失败
{
}
Linux用socket设置非阻塞式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
用socket设置非阻塞式
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
非阻塞设置阻塞用
int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);
fcntl(socket, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
功能描述：根据文件描述词操作文件特性
用：
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
参数：
fd：文件描述词
cmd：操作命令
arg：供命令使用参数
lock：同
操作命令供使用
. F_DUPFD ：复制文件描述词
二. FD_CLOEXEC ：设置close-on-exec标志FD_CLOEXEC位0执行execve程文件保持打反则关闭
三. F_GETFD ：读取文件描述词标志
四. F_SETFD ：设置文件描述词标志
五. F_GETFL ：读取文件状态标志
六. F_SETFL ：设置文件状态标志
其O_RDONLY O_WRONLY O_RDWR O_CREAT O_EXCL O_NOCTTY O_TRUNC受影响
更改标志 O_APPENDO_ASYNC O_DIRECT O_NOATIME O_NONBLOCK
七. F_GETLK, F_SETLK F_SETLKW ：获取释放或测试记录锁使用参数结构体指针：
F_SETLK：指定字节范围获取锁(F_RDLCK, F_WRLCK)或者释放锁(F_UNLCK)与另进程锁操作发冲突返 -1并errno设置EACCES或EAGAIN
F_SETLKW：行同F_SETLK除能获取锁睡眠等待外等待程接收信号立即返并errno置EINTR
F_GETLK：获取文件锁信息
F_UNLCK：释放文件锁
设置读锁文件必须读式打设置写锁文件必须写式打设置读写锁文件必须读写式打
5. Linux 怎样实现非阻塞connect
1. 设置socket
int oldOption = fcntl(sockfd, F_GETFL);
int newOption = oldOption | O_NONBLOCK;
//设置sockfd非阻塞
fcntl(sockfd, F_SETFL, newOption);12345
2. 执行connect
如果返回0，表示连接成功，这种情况一般在本机上连接时会出现(否则怎么可能那么快)
否则，查看error是否等于EINPROGRESS(表明正在进行连接中)，如果不等于，则连接失败
int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if(ret == 0)
{
//连接成功
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);
return sockfd;
}
else if(errno != EINPROGRESS)
{
//连接没有立即返回，此时errno若不是EINPROGRESS，表明错误
perror("connect error != EINPROGRESS");
return -1;
}12345678910111213141516
3. 使用select，如果没用过select可以去看看
用select对socket的读写进行监听
那么监听结果有四种可能
1. 可写(当连接成功后，sockfd就会处于可写状态，此时表示连接成功)
2. 可读可写(在出错后，sockfd会处于可读可写状态，但有一种特殊情况见第三条)
3. 可读可写(我们可以想象，在我们connect执行完到select开始监听的这段时间内，
如果连接已经成功，并且服务端发送了数据，那么此时sockfd就是可读可写的，
因此我们需要对这种情况特殊判断)
说白了，在可读可写时，我们需要甄别此时是否已经连接成功，我们采用这种方案：
再次执行connect，然后查看error是否等于EISCONN(表示已经连接到该套接字)。
4. 错误
if(FD_ISSET(sockfd, &writeFds))
{
//可读可写有两种可能，一是连接错误，二是在连接后服务端已有数据传来
if(FD_ISSET(sockfd, &readFds))
{
if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) != 0)
{
int error=0;
socklen_t length = sizeof(errno);
//调用getsockopt来获取并清除sockfd上的错误.
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;
}
}
}
//此时已排除所有错误可能，表明连接成功
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);
return sockfd;
}0
4. 恢复socket
因为我们只是需要将连接操作变为非阻塞，并不包括读写等，所以我们吃醋要将socket重新设置。
fcntl(sockfd, F_SETFL, oldOption);关于Linux命令的介绍，看看《linux就该这么学》，具体关于这一章地址3w(dot)linuxprobe/chapter-02(dot)html