【Linux】47.高級IO（1）

文章目錄

1. 高級IO
- 1.1 五種IO模型
- 1.2 高級IO重要概念
- - 1.2.1 同步通信 vs 異步通信
  - 1.2.2 阻塞 vs 非阻塞
- 1.3非阻塞IO
- - 1.3.1 fcntl
  - 1.3.2 實現函數SetNoBlock
  - 1.3.3 輪詢方式讀取標準輸入
  - 1.3.4 I/O多路轉接之select
  - - 1.3.4.1 初識select：
    - 1.3.4.2 select函數原型
    - 1.3.4.3 理解select執行過程

1. 高級IO

1.1 五種IO模型

[釣魚例子]

阻塞IO: 在內核將數據準備好之前, 系統調用會一直等待. 所有的套接字, 默認都是阻塞方式.

阻塞IO是最常見的IO模型.

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非阻塞IO: 如果內核還未將數據準備好, 系統調用仍然會直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK錯誤碼.

非阻塞IO往往需要程序員循環的方式反復嘗試讀寫文件描述符, 這個過程稱為輪詢. 這對CPU來說是較大的浪費, 一般只有特定場景下才使用

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信號驅動IO: 內核將數據準備好的時候, 使用SIGIO信號通知應用程序進行IO操作.

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IO多路轉接: 雖然從流程圖上看起來和阻塞IO類似. 實際上最核心在于IO多路轉接能夠同時等待多個文件
描述符的就緒狀態.

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異步IO: 由內核在數據拷貝完成時, 通知應用程序(而信號驅動是告訴應用程序何時可以開始拷貝數據).

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小結：

任何IO過程中, 都包含兩個步驟. 第一是等待, 第二是拷貝. 而且在實際的應用場景中, 等待消耗的時間往往都遠遠高于拷貝的時間. 讓IO更高效, 最核心的辦法就是讓等待的時間盡量少

1.2 高級IO重要概念

在這里, 我們要強調幾個概念

1.2.1 同步通信 vs 異步通信

同步和異步關注的是消息通信機制.

所謂同步，就是在發出一個調用時，在沒有得到結果之前，該調用就不返回. 但是一旦調用返回，就得到返回值了; 換句話說，就是由調用者主動等待這個調用的結果;
異步則是相反，調用在發出之后，這個調用就直接返回了，所以沒有返回結果; 換句話說，當一個異步過程調用發出后，調用者不會立刻得到結果; 而是在調用發出后，被調用者通過狀態、通知來通知調用者，或通過回調函數處理這個調用.

另外, 我們回憶在講多進程多線程的時候, 也提到同步和互斥. 這里的同步通信和進程之間的同步是完全不想干的概念.

進程/線程同步也是進程/線程之間直接的制約關系
是為完成某種任務而建立的兩個或多個線程，這個線程需要在某些位置上協調他們的工作次序而等待、傳遞信息所產生的制約關系. 尤其是在訪問臨界資源的時候.

同學們以后在看到 “同步” 這個詞, 一定要先搞清楚大背景是什么. 這個同步, 是同步通信異步通信的同步, 還是同步與互斥的同步

1.2.2 阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞關注的是程序在等待調用結果（消息，返回值）時的狀態.

阻塞調用是指調用結果返回之前，當前線程會被掛起. 調用線程只有在得到結果之后才會返回.
非阻塞調用指在不能立刻得到結果之前，該調用不會阻塞當前線程.

1.3非阻塞IO

1.3.1 fcntl

一個文件描述符, 默認都是阻塞IO

函數原型如下.

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

傳入的cmd的值不同, 后面追加的參數也不相同.

fcntl函數有5種功能:

復制一個現有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
獲得/設置文件描述符標記(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
獲得/設置文件狀態標記(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
獲得/設置異步I/O所有權(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
獲得/設置記錄鎖(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

我們此處只是用第三種功能, 獲取/設置文件狀態標記, 就可以將一個文件描述符設置為非阻塞.

1.3.2 實現函數SetNoBlock

基于fcntl, 我們實現一個SetNoBlock函數, 將文件描述符設置為非阻塞

void SetNoBlock(int fd) { int fl = fcntl(fd, F_GETFL);    // 獲取文件描述符當前的標志if (fl < 0) {                    // 如果獲取失敗perror("fcntl");            // 打印錯誤信息return;                     // 退出函數}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);  // 設置文件描述符為非阻塞模式
}

使用F_GETFL將當前的文件描述符的屬性取出來(這是一個位圖).
然后再使用F_SETFL將文件描述符設置回去. 設置回去的同時, 加上一個O_NONBLOCK參數.

1.3.3 輪詢方式讀取標準輸入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>// 將文件描述符設置為非阻塞模式
void SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);         // 獲取文件描述符當前的標志if (fl < 0) {                         // 如果獲取失敗perror("fcntl");                 // 打印錯誤信息return;                          // 退出函數}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 設置文件描述符為非阻塞模式
}int main() {SetNoBlock(0);                       // 將標準輸入(文件描述符0)設置為非阻塞模式while (1) {                          // 無限循環char buf[1024] = {0};            // 定義并初始化緩沖區ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);  // 嘗試從標準輸入讀取數據if (read_size < 0) {             // 如果讀取失敗(在非阻塞模式下，沒有數據可讀會返回-1)perror("read");              // 打印錯誤信息sleep(1);                    // 休眠1秒continue;                    // 繼續下一次循環}printf("input:%s\n", buf);       // 打印讀取到的輸入內容}return 0;                            // 程序結束(實際上這行代碼不會執行，因為有無限循環)
}

這段程序演示了非阻塞I/O的工作方式：

首先將標準輸入(文件描述符0)設置為非阻塞模式
在無限循環中，程序嘗試從標準輸入讀取數據
由于是非阻塞模式，當沒有輸入數據時，read()不會阻塞等待，而是立即返回-1，同時設置errno為EAGAIN或EWOULDBLOCK
程序捕獲這個錯誤，打印錯誤信息，然后休眠1秒后再次嘗試讀取
當有數據輸入時，read()會成功讀取數據并返回讀取的字節數，然后程序打印輸入的內容

這種模式允許程序在沒有輸入時繼續執行其他任務(在本例中只是休眠)，而不是被阻塞在輸入操作上，適用于需要同時處理多個I/O事件的場景。

1.3.4 I/O多路轉接之select

1.3.4.1 初識select：

系統提供select函數來實現多路復用輸入/輸出模型.

select系統調用是用來讓我們的程序監視多個文件描述符的狀態變化的;
程序會停在select這里等待，直到被監視的文件描述符有一個或多個發生了狀態改變;

1.3.4.2 select函數原型

select的函數原型如下: #include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

參數解釋:

參數nfds是需要監視的最大的文件描述符值+1；
rdset,wrset,exset分別對應于需要檢測的可讀文件描述符的集合，可寫文件描述符的集合及異常文件描述符的集合;
參數timeout為結構timeval，用來設置select()的等待時間

參數timeout取值:

NULL：則表示select（）沒有timeout，select將一直被阻塞，直到某個文件描述符上發生了事件;

0：僅檢測描述符集合的狀態，然后立即返回，并不等待外部事件的發生。

特定的時間值：如果在指定的時間段里沒有事件發生，select將超時返回。

關于fd_set結構

其實這個結構就是一個整數數組, 更嚴格的說, 是一個 “位圖”. 使用位圖中對應的位來表示要監視的文件描述符.

提供了一組操作fd_set的接口, 來比較方便的操作位圖

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用來清除描述詞組set中相關fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用來測試描述詞組set中相關fd 的位是否為真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用來設置描述詞組set中相關fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用來清除描述詞組set的全部位

關于timeval結構

timeval結構用于描述一段時間長度，如果在這個時間內，需要監視的描述符沒有事件發生則函數返回，返回值為0。

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函數返回值：

執行成功則返回文件描述詞狀態已改變的個數
如果返回0代表在描述詞狀態改變前已超過timeout時間，沒有返回
當有錯誤發生時則返回-1，錯誤原因存于errno，此時參數readfds，writefds, exceptfds和timeout的值變成不可預測。

錯誤值可能為：

EBADF 文件描述詞為無效的或該文件已關閉
EINTR 此調用被信號所中斷
EINVAL 參數n 為負值。
ENOMEM 核心內存不足