几种服务器端IO模型的简单介绍及实现（下）

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/