再谈Socket编程中阻塞/非阻塞模式

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再谈Socket编程中阻塞/非阻塞模式

我们用一个非常生活化的比喻——“去咖啡馆买咖啡”，来彻底讲清楚Socket编程中的阻塞和非阻塞模式。

故事背景：你（应用程序）去咖啡馆（服务器）买咖啡

想象一下，你是一个程序，你的任务就是去咖啡馆点一杯拿铁，然后拿着咖啡回来继续工作。这个“点咖啡”的过程，就是一次网络请求（比如请求一个网页）。

咖啡馆里有几个关键角色：

你（客户端程序）： 发起请求的人。

点餐柜台（Socket）： 你和咖啡馆交流的窗口。

服务员（操作系统内核）： 负责接收你的订单，并和后厨沟通。

后厨（服务器应用）： 真正做咖啡的地方。

1. 阻塞模式 – “死等型”顾客

在这种模式下，你是一个非常执着、一根筋的顾客。

情景再现：

点单（发送请求 send）： 你走到柜台，对服务员说：“一杯拿铁，谢谢。” 服务员记下订单，转身递给后厨。在这个过程中，你就站在柜台前，一动不动地等着，直到服务员回头告诉你“订单已收到”，你才进行下一步。如果后厨正忙，服务员没空立刻接你的单，你就会一直堵在柜台前等。

等咖啡（等待响应 recv）： 订单提交后，你知道咖啡需要时间制作。但你不会离开柜台去做别的事，而是继续站在柜台前，眼睛直勾勾地盯着出餐口，什么都不干，就等你的咖啡。

取咖啡（收到数据）： 终于，服务员喊了你的号码，把做好的拿铁递给你。这时，你拿到咖啡，整个任务完成，心满意足地离开。

阻塞模式的特点：

简单直接： 你的行为逻辑很简单：一步、二步、三步……每一步都必须等上一步彻底完成。

效率极低： 在等咖啡的漫长过程中，你（这个程序线程）完全被“阻塞”住了，不能去回邮件、刷手机（不能处理其他任务）。你的所有时间都浪费在了等待上。

资源占用： 如果一个咖啡馆同时来了很多这样的“死等型”顾客，每个顾客都需要一个专门的柜台通道（线程）来服务，对咖啡馆（服务器）的资源是巨大的浪费。

编程中的体现：

在阻塞Socket中，像 connect(), send(), recv()这样的函数，在操作没有完成之前（比如数据没有真正发送出去，或没有收到对方的数据），函数调用是不会返回的，程序会停在那里一直等待。

2. 非阻塞模式 – “时间管理大师”型顾客

在这种模式下，你是一个高效的时间管理大师。

情景再现：

点单（非阻塞 send）： 你走到柜台，发现服务员正忙。你不会干等，而是立刻问他：“我现在下单可以吗？” 服务员可能回答：“现在不行，你过会儿再来（返回 EAGAIN或 EWOULDBLOCK错误）。” 你听到后，转身就去旁边座位上刷手机（处理其他任务）。过了一分钟，你再来问一次，直到成功下单为止。

等咖啡（非阻塞 recv）： 下单成功后，你不会傻站在柜台前。你会回到座位，做自己的事：回几封邮件、写会儿代码（处理其他连接或任务）。每隔一段时间，你就走到柜台问一下：“我的拿铁好了吗？（调用 recv()尝试读取数据）”

如果咖啡没好，服务员会说：“没好呢，等着！（返回 EAGAIN）”，你就回去继续工作。

如果咖啡好了，服务员会把咖啡递给你，你完成任务。

非阻塞模式的特点：

高效利用时间： 你（线程）永远不会因为等待而空闲。在等待一个响应时，可以去处理其他请求。

编程复杂： 你需要不断地“轮询”，即主动地、反复地去询问状态（“好了没？”、“好了没？”）。这需要你自己管理一个任务循环。如果询问得太频繁，你会累死（CPU空转）；询问得不频繁，咖啡可能凉了（响应延迟）。

单线程处理多任务： 一个你（一个线程）就可以同时盯着好几杯咖啡的订单，在它们之间来回切换询问。

3. I/O多路复用 – “雇佣秘书”模式（非阻塞的升级版）

由于“时间管理大师”自己轮询太累了，于是出现了更高级的模式——I/O多路复用。这就像你雇佣了一个秘书。

情景再现：

你告诉秘书：“我去点一杯拿铁和一杯卡布奇诺，你帮我盯着这两个订单。只要其中任何一杯好了，或者两杯都好了，就立刻打电话通知我。 在这期间，我要去开会了（线程可以去休眠）。”

秘书（select, poll, epoll等系统调用）就搬个凳子坐在出餐口，替你监视着所有你关心的订单。

当后厨做好其中任何一杯咖啡时，秘书会立刻知道，然后打电话叫你来取。你只需要在接到通知后，过来直接取走咖啡即可。

I/O多路复用的特点：

“等事件就绪”： 这是它的核心。程序阻塞在 select/epoll这样的调用上，但这不是等待某个具体的I/O操作，而是等待“某个或多个Socket有数据可读/可写”这个事件发生。一旦事件发生，它才去调用真正的 recv或 send，这时因为数据已经准备好了，所以这些操作会立刻完成，不会阻塞。

极大提升效率： 一个线程（你）加上一个秘书（多路复用器）就可以高效管理成百上千个网络连接（订单），而无需创建大量线程。这是高性能网络服务器的基石（如Nginx, Redis）。

仍然是同步I/O： 注意，取咖啡这个动作还是你自己做的。所以它本质上是非阻塞模式的一种更高效的用法，属于同步非阻塞I/O。

总结与对比

模式	比喻	编程特点	优点	缺点	适用场景
阻塞	死等型顾客	调用I/O函数后，线程被挂起，直到操作完成。	编程非常简单，逻辑清晰。	效率极低，一个线程只能处理一个连接，资源浪费严重。	客户端程序、连接数极少的简单服务器。
非阻塞	时间管理大师	调用I/O函数立即返回，需要循环检查状态。	单线程可处理多连接，提高资源利用率。	编程复杂，需要轮询，CPU占用高（忙等待）。	现在较少直接使用，通常是和多路复用结合。
I/O多路复用	雇佣秘书	线程阻塞在 `select/epoll`上，等待多个连接中的任何一个就绪。	高效，能管理大量连接，是高性能服务器的标准。	编程比阻塞模式复杂，但比纯轮询的非阻塞简单。	高并发网络服务器，如Web服务器、聊天服务器等。

希望这个“咖啡馆买咖啡”的比喻能让你对Socket的阻塞和非阻塞模式有一个生动而深刻的理解！

winsock2的函数及其调用时机和作用

WinSock2（Windows Socket 2）是 Windows 平台上的网络编程接口，它基于 Berkeley Sockets（BSD Sockets） 标准，并扩展了一些 Windows 特有的功能。WinSock2 提供了一系列函数，用于创建、连接、发送和接收数据等网络操作。下面我们详细介绍 WinSock2 的核心函数，并说明它们的调用时机和作用。

1. 初始化与清理

在开始使用 WinSock2 之前，必须先初始化，并在结束时清理资源。

(1) `WSAStartup()`

作用：初始化 WinSock2 库，指定使用的版本（如 2.2）。

调用时机：程序启动时，任何其他 WinSock 函数之前。

参数：

wVersionRequested：请求的 WinSock 版本（如 MAKEWORD(2, 2)）。

lpWSAData：返回 WinSock 实现的详细信息。

示例：



WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
    printf("WSAStartup failed
");
    return 1;
}

(2) `WSACleanup()`

作用：清理 WinSock2 资源，释放 DLL。

调用时机：程序结束时，所有 Socket 操作完成后。

示例：

WSACleanup();

2. 创建与关闭 Socket

(3) `socket()`

作用：创建一个新的 Socket（套接字）。

调用时机：需要建立网络连接时（TCP/UDP）。

参数：

af：地址族（如 AF_INET表示 IPv4）。

type：Socket 类型（SOCK_STREAM表示 TCP，SOCK_DGRAM表示 UDP）。

protocol：协议（通常 0表示自动选择）。

示例：



SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock == INVALID_SOCKET) {
    printf("socket() failed: %d
", WSAGetLastError());
    return 1;
}

(4) `closesocket()`

作用：关闭 Socket，释放资源。

调用时机：不再需要 Socket 时（如通信结束）。

示例：

closesocket(sock);

3. 绑定与监听（服务器端）

(5) `bind()`

作用：将 Socket 绑定到特定的 IP 和端口。

调用时机：服务器启动时，监听连接之前。

参数：

sock：Socket 描述符。

addr：指向 sockaddr_in结构体的指针，包含 IP 和端口。

addrlen：sockaddr_in的大小。

示例：



struct sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网卡
serverAddr.sin_port = htons(8080);       // 端口 8080
 
if (bind(sock, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
    printf("bind() failed: %d
", WSAGetLastError());
    closesocket(sock);
    return 1;
}

(6) `listen()`

作用：让 Socket 进入监听状态，等待客户端连接。

调用时机：bind()之后，accept()之前。

参数：

sock：Socket 描述符。

backlog：等待连接队列的最大长度（如 5）。

示例：



if (listen(sock, 5) == SOCKET_ERROR) {
    printf("listen() failed: %d
", WSAGetLastError());
    closesocket(sock);
    return 1;
}

4. 连接（客户端）

(7) `connect()`

作用：客户端连接到服务器。

调用时机：客户端需要建立 TCP 连接时。

参数：

sock：Socket 描述符。

addr：服务器的 sockaddr_in结构体。

addrlen：sockaddr_in的大小。

示例：



struct sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 服务器 IP
serverAddr.sin_port = htons(8080);                   // 服务器端口
 
if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
    printf("connect() failed: %d
", WSAGetLastError());
    closesocket(sock);
    return 1;
}

5. 接受连接（服务器端）

(8) `accept()`

作用：接受客户端的连接请求，返回一个新的 Socket 用于通信。

调用时机：listen()之后，服务器等待客户端连接时。

参数：

sock：监听 Socket。

addr：存储客户端地址信息（可设为 NULL）。

addrlen：客户端地址结构体的大小（可设为 NULL）。

示例：



SOCKET clientSock = accept(sock, NULL, NULL);
if (clientSock == INVALID_SOCKET) {
    printf("accept() failed: %d
", WSAGetLastError());
    closesocket(sock);
    return 1;
}

6. 发送与接收数据

(9) `send()`/ `recv()`（TCP）

作用：

send()：发送数据（TCP）。

recv()：接收数据（TCP）。

调用时机：连接建立后，需要传输数据时。

参数：

sock：Socket 描述符。

buf：数据缓冲区。

len：数据长度。

flags：额外选项（通常 0）。

示例：



// 发送数据
char sendBuf[] = "Hello, Server!";
send(clientSock, sendBuf, strlen(sendBuf), 0);
 
// 接收数据
char recvBuf[1024];
int bytesReceived = recv(clientSock, recvBuf, sizeof(recvBuf), 0);
if (bytesReceived > 0) {
    recvBuf[bytesReceived] = '';
    printf("Received: %s
", recvBuf);
}

(10) `sendto()`/ `recvfrom()`（UDP）

作用：

sendto()：发送数据（UDP）。

recvfrom()：接收数据（UDP）。

调用时机：UDP 通信时（不需要 connect()）。

参数：

sock：Socket 描述符。

buf：数据缓冲区。

len：数据长度。

flags：额外选项（通常 0）。

addr：目标/来源地址（sockaddr_in）。

addrlen：地址结构体大小。

示例：



struct sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
serverAddr.sin_port = htons(8080);
 
// 发送 UDP 数据
sendto(sock, "Hello UDP", 9, 0, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
 
// 接收 UDP 数据
char recvBuf[1024];
struct sockaddr_in clientAddr;
int addrLen = sizeof(clientAddr);
recvfrom(sock, recvBuf, sizeof(recvBuf), 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrLen);

7. 错误处理

(11) `WSAGetLastError()`

作用：获取最后一次 WinSock 错误的错误码。

调用时机：任何 WinSock 函数返回 SOCKET_ERROR时。

示例：



if (send(sock, buf, len, 0) == SOCKET_ERROR) {
    printf("send() failed: %d
", WSAGetLastError());
}

8. 非阻塞模式 & I/O 多路复用

(12) `ioctlsocket()`

作用：设置 Socket 为非阻塞模式。

调用时机：需要非阻塞 Socket 时（如高并发服务器）。

示例：

u_long mode = 1; // 1 = 非阻塞，0 = 阻塞 ioctlsocket(sock, FIONBIO, &mode);

(13) `select()`

作用：I/O 多路复用，监视多个 Socket 的可读/可写状态。

调用时机：需要同时管理多个 Socket 时（如聊天服务器）。

示例：



fd_set readSet;
FD_ZERO(&readSet);
FD_SET(sock, &readSet);
 
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5; // 5 秒超时
timeout.tv_usec = 0;
 
int ready = select(0, &readSet, NULL, NULL, &timeout);
if (ready > 0 && FD_ISSET(sock, &readSet)) {
    // Socket 可读
}

总结

函数	作用	调用时机
`WSAStartup()`	初始化 WinSock2	程序启动时
`WSACleanup()`	清理 WinSock2	程序结束时
`socket()`	创建 Socket	需要网络连接时
`closesocket()`	关闭 Socket	通信结束时
`bind()`	绑定 IP 和端口	服务器启动时
`listen()`	监听连接	`bind()`之后
`connect()`	客户端连接服务器	客户端需要连接时
`accept()`	接受客户端连接	`listen()`之后
`send()`/ `recv()`	TCP 数据收发	连接建立后
`sendto()`/ `recvfrom()`	UDP 数据收发	UDP 通信时
`WSAGetLastError()`	获取错误码	WinSock 出错时
`ioctlsocket()`	设置非阻塞模式	需要非阻塞 Socket 时
`select()`	I/O 多路复用	管理多个 Socket 时