再谈对非阻塞的理解

Mon, 20 Jul 2015 19:21:37 +0800

一般来说，现在大家 epoll 都是搭配着非阻塞 IO 一起用的，要问为什么？大家都这么用的啊，而且异步嘛，非阻塞嘛，很自然嘛

但是，非阻塞 IO 具体是怎么对 send 和 recv 起作用的。一般理解，我们之所以要用非阻塞，是为了避免这种情况：

客户端跟我们 tcp 三次握手完了，我们 listen fd 上得到一个 IN 事件了，然后 accept，得到一个新的 client fd，然后如果这个时候，客户端没有发字节流过来，我们调用 recv，就会因为服务器的系统缓冲区中空空如也，陷入阻塞，所以如果这里我们用上非阻塞，就可以让 recv 快速的返回一个 0，从而让 CPU 转而去处理其他 client fd，所以，非阻塞对 recv 的作用效果是很明显的。

但是 send 呢，即使是在阻塞情况下，我们调用 send，系统都是把我们的数据拷贝到系统缓冲区，然后就返回了，而并不需要等到这些数据真正发出来收到 ack 之后才返回，也就是说，这里纯粹是一个内存拷贝的动作，不涉及和远端机器的交互，照理说，应该是不会陷入等待的。那是否就能说阻塞非阻塞对于 send 来说不那么重要呢？也不尽然，考虑到出现系统发送缓冲区满了的情况，这时我们需要等待缓冲区发送一部分之后，腾出地方来，我们 send 的数据才能拷贝进去，在这种情况下，貌似就要依靠非阻塞才行了，非阻塞下 send 会快速的返回一个失败，好让我们采取其他的措施。

那么，接下来看这个代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <map>
#include <string>

#define  _PRINTF_(format, ...) printf("[%s] " format " [%s::%s::%d]\n", getdatetimestr(), ##__VA_ARGS__, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)

char* getdatetimestr() {
    static char datetimestr[32] = {0};
    static time_t last_update_time = 0;
    struct timeval tv = {0};
    gettimeofday(&tv, NULL);
    time_t nowtime = tv.tv_sec;
    if (nowtime != last_update_time) {
        last_update_time = nowtime;
        struct tm nowtm = {0};
        localtime_r(&nowtime, &nowtm);
        strftime(datetimestr, sizeof(datetimestr), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &nowtm);
    }
    snprintf(datetimestr+19, sizeof(datetimestr)-19, ".%06ld", tv.tv_usec);
    return datetimestr;
}

int ctl_epoll_event(int epoll_fd, int ctl, int fd, int event) {
    // EPOLL IN = 0x001,
    // EPOLL PRI = 0x002,
    // EPOLL OUT = 0x004,
    // EPOLL RDNORM = 0x040,
    // EPOLL RDBAND = 0x080,
    // EPOLL WRNORM = 0x100,
    // EPOLL WRBAND = 0x200,
    // EPOLL MSG = 0x400,
    // EPOLL ERR = 0x008,
    // EPOLL HUP = 0x010,
    // EPOLL ET = (1 << 31)

    // EPOLL_CTL_ADD 1
    // EPOLL_CTL_DEL 2
    // EPOLL_CTL_MOD 3
    
    //_PRINTF_("epoll_fd %d, ctl %d, fd %d, event %d", epoll_fd, ctl, fd, event);
    struct epoll_event ev;
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = event;
    return epoll_ctl(epoll_fd, ctl, fd, &ev);
}

int httpSrv2(short port) {
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd == -1) {
        _PRINTF_("%m");
        return -1;
    }
    int reuseaddr = 1;
    setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuseaddr, sizeof(reuseaddr));
    struct sockaddr_in server_addr = {0};
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(port);
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        _PRINTF_("%m");
        return -1;
    }
    if (listen(listen_fd, 32) == -1) {
        _PRINTF_("%m");
        return -1;
    }
    _PRINTF_("listening...");
    int epoll_fd = epoll_create(4096);
    if (ctl_epoll_event(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, EPOLLIN) == -1) {
        _PRINTF_("%m");
        return -1;
    }
    std::map<int, std::string> fd_buffer_map;
    for (int count = 0; ; ) {        
        struct epoll_event epoll_events[64] = {{0}};
        int epoll_events_num = epoll_wait(epoll_fd, epoll_events, sizeof(epoll_events)/sizeof(epoll_events[0]), 5*1000);
        //_PRINTF_("epoll_events_num, %d", epoll_events_num);
        for (int epoll_events_index =  0; epoll_events_index < epoll_events_num; epoll_events_index++) {
            int event_fd = epoll_events[epoll_events_index].data.fd;
            if (event_fd == listen_fd) {
                if (!(epoll_events[epoll_events_index].events & EPOLLIN)) {
                    _PRINTF_("listen fd event: %d, msg: %m", epoll_events[epoll_events_index].events);
                    continue;
                }                
                int client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);
                //int client_fd = accept4(listen_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK);
                if (client_fd == -1) {
                    _PRINTF_("%m");
                    continue;
                }
                ctl_epoll_event(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, EPOLLIN);
            } else {
                int client_fd = event_fd;
                if (epoll_events[epoll_events_index].events & EPOLLIN) {
                    char recv_buff[64*1024] = {0};
                    int recv_len = recv(client_fd, recv_buff, sizeof(recv_buff), 0);
                    if (recv_len < 0) {
                        _PRINTF_("%m");
                        continue;
                    }
                    fd_buffer_map[client_fd].append(recv_buff, recv_len);
                    //_PRINTF_("fd %d buffer [%s]", client_fd, fd_buffer_map[client_fd].c_str());
                    if (fd_buffer_map[client_fd].find("\r\n\r\n") == std::string::npos) {
                        continue;
                    }
                    char response[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n<h1>Hello World</h1>";
                    if (send(client_fd, response, sizeof(response)-1, 0) < 0) {
                        _PRINTF_("%m");
                    }
                    if (count++ % 100000 == 0) {
                        _PRINTF_("count %d, last request [%s], last response [%s]", count, fd_buffer_map[client_fd].c_str(), response);
                    }
                    ctl_epoll_event(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, EPOLLIN);
                    close(client_fd);
                    fd_buffer_map.erase(client_fd);
                } else {
                    _PRINTF_("client fd event: %d, msg: %m", epoll_events[epoll_events_index].events);
                }
            }
        }
    }
    close(epoll_fd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}

int main(int argc, char** argv) {
    _PRINTF_("starting server...");
    httpSrv2(atoi(argv[1]));
    return 0;
}

这个代码通过 95/96 行可以切换阻塞和非阻塞模式，在两种模式中，其实服务的吞吐量差不多，但是，阻塞的代码，CPU 跑到了 100%（一个核上 100%，其他核空闲），非阻塞的代码，同样的吞吐率，CPU 只用了不到 10%，这是为什么呢？

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2015-7-20 19:37:42 进一步的观察发现，非阻塞的 10% CPU 使用率，只是在进程刚启动的时候，在进程运行一段时间之后，也会跑到 100% 的 CPU

阻塞 on ZRJ | 学习笔记

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