Linux 网络编程的5种IO模型：信号驱动IO模型

背景

上一讲 Linux 网络编程的5种IO模型：多路复用(select/poll/epoll) 我们讲解了多路复用等方面的知识，以及有关例程。

这一讲我们来看信号驱动IO 模型。

介绍

情景引入：

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中，对TCP套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情

%% 时序图
sequenceDiagram
title : 信号驱动IO模型
participant application
participant kernel

Note right of application: 应用程序调用系统调用

application ->> kernel: signaction
kernel ->> application: 返回

kernel ->> application: 递交SIGIO信号
application ->> application : 信号处理

application ->> kernel : recvfrom

kernel ->> kernel: 准备好数据，拷贝到用户空间
kernel ->> application: 拷贝完成，返回成功

在UDP上，SIGIO信号会在下面两个事件的时候产生：

1 数据报到达套接字

2 套接字上发生错误

因此我们很容易判断SIGIO出现的时候，如果不是发生错误，那么就是有数据报到达了。

而在TCP上，由于TCP是双工的，它的信号产生过于频繁，并且信号的出现几乎没有告诉我们发生了什么事情。因此对于TCP套接字，SIGIO信号是没有什么使用的。

有关函数

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,
             struct sigaction *oldact);

关于有关内容的讲解，请参考：Linux 系统编程学习：进程间通信-Unix IPC-信号

例程

这对例程是不太规范的，因为有BUG。但因为这种消息模型用的比较少所以我就不改了。

server.c

#include <stdio.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
int listenfd1;
volatile int read_flag = 0;
static char buf[256] = { 0 };
void do_sigio(int sig)
{
    struct sockaddr_in cli_addr;
    int clifd, clilen;
    read_flag = 1;
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    recvfrom(listenfd1, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, &clilen);
    printf("Listenfd1 Message %s \n", buf);
    perror("recvfrom");
    sendto(listenfd1, "Reply", sizeof("Reply"),0, (struct sockaddr *)&cli_addr, sizeof(cli_addr));
    perror("sendto");
    printf("sigio end\n");
    read_flag = 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    //绑定监听7779端口的fd
    struct sockaddr_in serv_addr;
    listenfd1 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(7779);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    struct sigaction sigio_action;
    memset(&sigio_action, 0, sizeof(sigio_action));
    sigio_action.sa_flags = 0;
    sigio_action.sa_handler = do_sigio;
    sigaction(SIGIO, &sigio_action, NULL);
    fcntl(listenfd1, F_SETOWN, getpid());
    int flags;
    flags = fcntl(listenfd1, F_GETFL, 0);
    flags |= O_ASYNC ;//| O_NONBLOCK;
    fcntl(listenfd1, F_SETFL, flags);
    bind(listenfd1, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    while(1)
    {
        sleep(2);
    }
    close(listenfd1);
    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    int socketfd;
    socklen_t n;
    socketfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct sockaddr_in addr;
    bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(7779);
    char buf[64] = {0};
    //write(socketfd, "client message", sizeof("client message"));
    sendto(socketfd, "client message", sizeof("client message"),0, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    //read(socketfd, buf, sizeof(buf));
    recvfrom(socketfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&serv_addr, &n);
    printf("%u %s\n",n ,buf);
    return 0;
}

附录：异步通知

ref :异步通知

注意:异步通知只有SIGIO信号,没有别的信号可用,其他各种信号在app空间可以任意使用.

通过使用异步通知，应用程序可以在数据可用时收到一个信号，而无需不停地轮询。

启用步骤：

（1）它们指定一个进程作为文件的拥有者：使用 fcntl 系统调用发出 F_SETOWN 命令，这个拥有者进程的 ID 被保存在 filp->f_owner。目的：让内核知道信号到达时该通知哪个进程。

（2）使用 fcntl 系统调用，通过 F_SETFL 命令设置 FASYNC 标志。

内核操作过程

1.F_SETOWN被调用时filp->f_owner被赋值。

当 F_SETFL 被执行来打开 FASYNC, 驱动的 fasync 方法被调用.这个标志在文件被打开时缺省地被清除。
当数据到达时，所有的注册异步通知的进程都会被发送一个 SIGIO 信号。

Linux 提供的通用方法是基于一个数据结构和两个函数，定义在。

数据结构：

 struct fasync_struct{
    int    magic;
    int    fa_fd;
    struct    fasync_struct    *fa_next;/* singly linked list */
    struct    file         *fa_file;
};

驱动调用的两个函数的原型:

int fasync_helper(int fd,structfile*filp,int mode, struct fasync_struct**fa);
void kill_fasync(struct fasync_struct**fa,int sig, int band);

当一个打开的文件的FASYNC标志被修改时，调用 fasync_helper 来从相关的进程列表中添加或去除文件。除了最后一个参数, 其他所有参数都时被提供给 fasync 方法的相同参数并被直接传递。当数据到达时，kill_fasync 被用来通知相关的进程，它的参数是被传递的信号(常常是 SIGIO)和 band（几乎都是 POLL_IN）。

这是 scullpipe 实现 fasync 方法的:

 staticint scull_p_fasync(int fd,struct file*filp,int mode)
{
 struct scull_pipe *dev = filp->private_data;
 return fasync_helper(fd, filp, mode,&dev->async_queue);
}

当数据到达, 下面的语句必须被执行来通知异步读者. 因为对 sucllpipe 读者的新数据通过一个发出 write 的进程被产生, 这个语句出现在 scullpipe 的 write 方法中：

 if (dev->async_queue)  kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); /* 注意, 一些设备也针对设备可写而实现了异步通知，在这个情况,kill_fasnyc 必须以 POLL_OUT 模式调用.*/

当文件被关闭时必须调用fasync 方法，来从活动的异步读取进程列表中删除该文件。尽管这个调用仅当 filp->f_flags 被设置为 FASYNC 时才需要，但不管什么情况，调用这个函数不会有问题，并且是普遍的实现方法。以下是 scullpipe 的 release 方法的一部分:

 /* remove this filp from the asynchronously notified filp's */ scull_p_fasync(-1, filp, 0);

异步通知使用的数据结构和 struct wait_queue 几乎相同，因为他们都涉及等待事件。区别异步通知用 struct file 替代 struct task_struct. 队列中的 file 用获取 f_owner, 一边给进程发送信号。