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1. 前言

本篇文章開始, 將與大家分享高級IO相關的內容
本章重點:

本篇文章會帶大家初識五種常見的IO模型, 分別是: 阻塞IO, 非阻塞IO, 信號驅動IO, IO多路轉接, 異步IO. 其中, 多路轉接將會是本系列文章后續的重點

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2. 重談對IO的理解

IO: input or output --> 訪問外設 效率低
IO一定是非常低效的, 以讀取為例:

當我們read/recv時, 如果底層緩沖區沒有數據, read/recv函數會阻塞
當我們read/recv時, 如果底層緩沖區有數據, read/recv函數會拷貝

所以說, IO = 等待 + 拷貝 !!!

記住這句話, 會一直貫穿整個IO系列文章

探討低效IO和高效IO:

很明顯, IO = 等待 + 拷貝.
所以可以得出下面的結論:

• 低效IO: 單位時間內, 大部分時間, IO類接口都在等待
• 高效IO: 讓等待的比重降低

接下來的五種IO模型, 就是圍繞著是否高效進行的

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3. 阻塞IO講解

正如其名, 阻塞IO 在內核將數據準備好之前, 系統調用會一直等待, 并且所有的套接字默認都是阻塞IO. 阻塞IO是最常見的IO模型, 它比較好理解, 下面是關于阻塞IO的圖像講解

通俗來講, 阻塞IO就是, 你去河邊釣魚, 只拿一根魚竿等于上鉤, 并且時刻盯著水面

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4. 非阻塞IO講解

顧名思義, 非阻塞IO就是說, 當底層數據沒有準備就緒時, 不會傻傻的等待, 而是直接返回. 但是調用recv時, 出現錯誤也會直接返回, 應該怎樣區分這兩種情況呢? 答案是阻塞式IO的正常返回時, 會將errno全局遍歷設置為宏: EWOULDBLOCK. 這下就能將它們區分開了

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. 下面是非阻塞IO的簡單示例:

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include<errno.h>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;//對指定的fd設置非阻塞
void SetNonBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {cerr << "fcntl error" << endl;exit(1);}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main() {SetNonBlock(0);while (1) {char buffer[1024];ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0) {buffer[s] = 0;cout << buffer << endl;} else if (s == 0) {cout << "讀到文件結尾了" << endl;break;}else{//1. 數據沒用準備好 2. 真的出錯了. 都以-1的返回值返回// 數據沒有準備好,不算出錯. 需要區分這兩種情況if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN){cout<<"os底層數據還沒就緒"<<endl;cout<<errno<<endl;}//被信號中斷, 也不算read出錯else if(errno == EINTR){cout<<"IO interrupted by signal"<<endl;}else{cout<<"read error"<<endl;break;}}sleep(1);}
}

調用fcntl函數將fd設置為非阻塞

通俗來講, 非阻塞IO就是, 你去河邊釣魚, 也只用一根魚竿, 但是你過一分鐘才去看看有沒有魚上鉤, 其他時間你可能在刷抖音

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5. 信號驅動IO

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. 也就是說信號驅動的方式你不用像非阻塞IO一樣, 每過一段時間去檢查是否有數據就緒, 一旦有數據就緒, 會有信號通知你, 這也就可以更多時間刷抖音了(不是)

通俗來講, 信號驅動IO就是, 你去河邊釣魚, 也只拿一個魚竿, 只不過魚竿上有壓力傳感器, 一旦有魚上鉤就會發出聲音提醒你. 其余時間我們當然可以愉快的刷抖音

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6. IO多路轉接

前面幾個釣魚的人是不是有點寒酸了?一次只拿一個魚竿, 效率太低了吧! 多路轉接直接把桌子掀了, 它拿了100個魚竿去釣魚: IO多路轉接能夠同時等待多個文件描述符的就緒狀態

通俗來說就是你拿一百個魚竿去釣魚, 同時等待一百種可能, 一旦有魚上鉤了, 會同時把所有上鉤的魚都拉上來, 這效率簡直是指數級增長, 所以這也是在實際生活中使用的最多的IO方案

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7. 異步IO

前面所有的IO方式, 都是同步IO, IO＝等待+拷貝, 同步IO就是要么參與了等待過程, 要么參與了拷貝過程, 要么都參與了. 而異步IO則是等待和拷貝都不參與: 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).

還是拿釣魚的例子來說, 前面的釣魚者, 不管你一次性帶多少魚竿(多路轉接), 不管你在魚竿上安裝什么高科技(信號驅動), 但是你總得去河邊, 自己拿著魚竿釣魚. 而異步IO是怎么做的呢? 他直接雇傭了一個人幫它去釣魚, 什么時候魚上鉤, 你等待了多久我都不在乎, 我只需要你在晚上九點的時候將釣的魚全部帶給我即可.

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8. 理解異步和同步

同步和異步關注的是消息通信機制.

同步和異步在實際場景中怎樣運用?

雖然說大部分IO類型都是同步IO, 但是實際生活中運用異步IO的概率也不小. 舉個例子, 你是王者榮耀的后端, 一個英雄放了一個技能打在對面身上, 此時我們后端要將這個操作做成同步的還是異步的? 很明顯是同步, 因為我想要實時的看見對面英雄的血條在減少. 再舉個例子, 現在你是QQ的后端, 你現在要查詢一千萬個QQ號中, 有哪些QQ號超過1個月沒有上線了. 你把此功能做成同步還是異步? 很明顯考慮到成本問題一定是做成異步, 一千萬個QQ號如果用一臺機器可能會查詢幾個小時, 你可能會說, 那我可以用多臺機器做負載均衡, 是的沒錯, 但是機器數量多了, 成本就上去了. 所以做成異步的IO比較好

綜上所述, 實際場景中要根據自己的情況和需求來覺得使用同步還是異步, 不要覺得在學習時都用同步, 以后工作了也就無腦的用同步

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9. 總結以及拓展

本篇文章只是簡單的介紹了IO模型的幾個分類, 其中, 最重要的模型是多路轉接, 后面的文章會著重講解它. 多路轉接為什么重要? 因為它是業內最常用的用來提高并發性的模型, 后續大家都接觸都reactor模型, 而reactor模型可以有多種實現方式, 而效率最高的reactor模型則是用多路轉接實現的!!!

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🔎 下期預告:多路轉接之select 🔍