UNIX: разработка сетевых приложений

Стивенс Уильям Ричард

11. На рис. 5.5 указано, что IP-адрес клиента выбирается IP на основе маршрутизации. Что это значит?

Глава 6

Мультиплексирование ввода-вывода: функции select и poll

6.1. Введение

В разделе 5.12 мы видели, что наш TCP-клиент обрабатывает два входных потока одновременно: стандартный поток ввода и сокет TCP. Проблема, с которой мы столкнулись, состояла в том, что пока клиент был блокирован в вызове функции

fgets

(чтение из стандартного потока ввода), процесс сервера мог быть уничтожен. TCP сервера корректно отправляет сегмент FIN протоколу TCP клиента,

но поскольку процесс клиента блокирован при чтении из стандартного потока ввода, он не получит признак конца файла, пока не считает данные из сокета (возможно, значительно позже). Нам нужна возможность сообщить ядру, что мы хотим получить уведомления о том, что выполняется одно или несколько условий для ввода-вывода (например, присутствуют данные для считывания или дескриптор готов к записи новых данных). Эта возможность называется мультиплексированием(multiplexing) ввода-вывода и обеспечивается функциями

select

и

poll

. Мы рассмотрим также более новый вариант функции

select

, входящей в стандарт POSIX, называемый

pselect

.

ПРИМЕЧАНИЕ

В некоторых системах предоставляются более мощные средства ожидания событий. Одним из механизмов является устройство опроса (poll device), которое по-разному реализуется разными производителями. Этот механизм описывается в главе 14.

Мультиплексирование ввода-вывода обычно используется сетевыми приложениями в следующих случаях:

Когда клиент обрабатывает множество дескрипторов (обычно интерактивный ввод и сетевой сокет), должно использоваться мультиплексирование ввода- вывода. Это сценарий, который мы только что рассмотрели.

Возможно, хотя это и редкий случай, что клиент одновременно обрабатывает множество сокетов. Такой пример мы приведем в разделе 16.5 при использовании функции

select

в контексте веб-клиента.

Если сервер TCP обрабатывает и прослушиваемый сокет, и присоединенные сокеты, обычно используется мультиплексирование ввода-вывода, как это показано в разделе 6.8.

Если сервер работает и с TCP, и с UDP, обычно также используется мультиплексирование ввода-вывода. Такой пример мы приводим в разделе 8.15.

Если сервер обрабатывает несколько служб и, возможно, несколько протоколов (например, демон

inetd

, который описан в разделе 12.5), обычно используется мультиплексирование ввода-вывода.

Область применения мультиплексирования ввода-вывода не ограничивается только сетевым программированием. Любому нетривиальному приложению часто приходится использовать эту технологию.

6.2. Модели ввода-вывода

Прежде чем начать описание функций

select

и

poll

, мы должны вернуться назад и уяснить основные различия между пятью моделями ввода-вывода, доступными нам в Unix:

блокируемый ввод-вывод;

неблокируемый ввод-вывод;

мультиплексирование ввода-вывода (функции

select

и

poll

);

ввод-вывод, управляемый сигналом (сигнал

SIGIO

);

асинхронный ввод-вывод (функции POSIX

aio_

).

Возможно, вы захотите пропустить этот раздел при первом прочтении, а затем вернуться к нему по мере знакомства с различными моделями ввода-вывода, подробно рассматриваемыми в дальнейших главах.

Как вы увидите в примерах этого раздела, обычно различаются две фазы операции ввода:

1. Ожидание готовности данных.

2. Копирование данных от ядра процессу.

Первый шаг операции ввода на сокете обычно включает ожидание прихода данных по

сети. Когда пакет приходит, он копируется в буфер внутри ядра. Второй шаг — копирование этих данных из буфера ядра в буфер приложения.

Модель блокируемого ввода-вывода

Наиболее распространенной моделью ввода-вывода является модель блокируемого ввода-вывода, которую мы использовали для всех предыдущих примеров. По умолчанию все сокеты являются блокируемыми. Используя в наших примерах сокет дейтаграмм, мы получаем сценарий, показанный на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Модель блокируемого ввода-вывода

В этом примере вместо TCP мы используем UDP, поскольку в случае UDP признак готовности данных очень прост: получена вся дейтаграмма или нет. В случае TCP он становится сложнее, поскольку приходится учитывать дополнительные переменные, например минимальный объем данных в сокете (low water-mark).

В примерах этого раздела мы говорим о функции

recvfrom

как о системном вызове, поскольку делаем различие между нашим приложением и ядром. Вне зависимости от того, как реализована функция

recvfrom

(как системный вызов в ядре, происходящем от Беркли, или как функция, активизирующая системный вызов

getmsg

в ядре System V), она обычно выполняет переключение между работой в режиме приложения и работой в режиме ядра, за которым через определенный промежуток времени следует возвращение в режим приложения.

На рис. 6.1 процесс вызывает функцию

recvfrom

, и системный вызов не возвращает управление, пока дейтаграмма не придет и не будет скопирована в буфер приложения либо пока не произойдет ошибка. Наиболее типичная ошибка — это прерывание системного вызова сигналом, о чем рассказывалось в разделе 5.9. Процесс блокирован в течение всего времени с момента, когда он вызывает функцию

recvfrom

, до момента, когда эта функция завершается. Когда функция

recvfrom

выполняется нормально, наше приложение обрабатывает дейтаграмму.

Модель неблокируемого ввода-вывода

Когда мы определяем сокет как неблокируемый, мы тем самым сообщаем ядру следующее: «когда запрашиваемая нами операция ввода-вывода не может быть завершена без перевода процесса в состояние ожидания, следует не переводить процесс в состояние ожидания, а возвратить ошибку». Неблокируемый ввод-вывод мы описываем подробно в главе 16, а на рис. 6.2 лишь демонстрируем его свойства.

Рис. 6.2. Модель неблокируемого ввода-вывода

В первых трех случаях вызова функции

recvfrom

данных для возвращения нет, поэтому ядро немедленно возвращает ошибку

EWOULDBLOCK

. Когда мы в четвертый раз вызываем функцию

recvfrom

, дейтаграмма готова, поэтому она копируется в буфер приложения и функция

recvfrom

успешно завершается. Затем мы обрабатываем данные.

Такой процесс, когда приложение находится в цикле и вызывает функцию

recvfrom

на неблокируемом дескрипторе, называется опросом( polling). Приложение последовательно опрашивает ядро, чтобы увидеть, что какая-то операция может быть выполнена. Часто это пустая трата времени процессора, но такая модель все же иногда используется, обычно в специализированных системах.