【Linux】47.高级IO（1）

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1. 高级IO

1.1 五种IO模型

[钓鱼例子]

• 阻塞IO: 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式.

阻塞IO是最常见的IO模型.

• 非阻塞IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码.

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用

• 信号驱动IO: 内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作.

• IO多路转接: 虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件
  描述符的就绪状态.

• 异步IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

小结：

任何IO过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间. 让IO更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少

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1.2 高级IO重要概念

在这里, 我们要强调几个概念

1.2.1 同步通信 vs 异步通信

同步和异步关注的是消息通信机制.

• 所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回. 但是一旦调用返回，就得到返回值了; 换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果;
• 异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果; 换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果; 而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用.

另外, 我们回忆在讲多进程多线程的时候, 也提到同步和互斥. 这里的同步通信和进程之间的同步是完全不想干的概念.

• 进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系
• 是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系. 尤其是在访问临界资源的时候.

同学们以后在看到 “同步” 这个词, 一定要先搞清楚大背景是什么. 这个同步, 是同步通信异步通信的同步, 还是同步与互斥的同步

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1.2.2 阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结果之后才会返回.
• 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程.

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1.3非阻塞IO

1.3.1 fcntl

一个文件描述符, 默认都是阻塞IO

函数原型如下.

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

传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同.

fcntl函数有5种功能:

• 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
• 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
• 获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

我们此处只是用第三种功能, 获取/设置文件状态标记, 就可以将一个文件描述符设置为非阻塞.

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1.3.2 实现函数SetNoBlock

基于fcntl, 我们实现一个SetNoBlock函数, 将文件描述符设置为非阻塞

void SetNoBlock(int fd) { int fl = fcntl(fd, F_GETFL);    // 获取文件描述符当前的标志if (fl < 0) {                    // 如果获取失败perror("fcntl");            // 打印错误信息return;                     // 退出函数}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);  // 设置文件描述符为非阻塞模式
}

• 使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图).
• 然后再使用F_SETFL将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个O_NONBLOCK参数.

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1.3.3 轮询方式读取标准输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>// 将文件描述符设置为非阻塞模式
void SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);         // 获取文件描述符当前的标志if (fl < 0) {                         // 如果获取失败perror("fcntl");                 // 打印错误信息return;                          // 退出函数}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 设置文件描述符为非阻塞模式
}int main() {SetNoBlock(0);                       // 将标准输入(文件描述符0)设置为非阻塞模式while (1) {                          // 无限循环char buf[1024] = {0};            // 定义并初始化缓冲区ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);  // 尝试从标准输入读取数据if (read_size < 0) {             // 如果读取失败(在非阻塞模式下，没有数据可读会返回-1)perror("read");              // 打印错误信息sleep(1);                    // 休眠1秒continue;                    // 继续下一次循环}printf("input:%s\n", buf);       // 打印读取到的输入内容}return 0;                            // 程序结束(实际上这行代码不会执行，因为有无限循环)
}

这段程序演示了非阻塞I/O的工作方式：

1. 首先将标准输入(文件描述符0)设置为非阻塞模式
2. 在无限循环中，程序尝试从标准输入读取数据
3. 由于是非阻塞模式，当没有输入数据时，read()不会阻塞等待，而是立即返回-1，同时设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK
4. 程序捕获这个错误，打印错误信息，然后休眠1秒后再次尝试读取
5. 当有数据输入时，read()会成功读取数据并返回读取的字节数，然后程序打印输入的内容

这种模式允许程序在没有输入时继续执行其他任务(在本例中只是休眠)，而不是被阻塞在输入操作上，适用于需要同时处理多个I/O事件的场景。

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1.3.4 I/O多路转接之select

1.3.4.1 初识select：

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型.

• select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;
• 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变;

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1.3.4.2 select函数原型

select的函数原型如下: #include <sys/select.h>

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

参数解释:

• 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；
• rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集 合及异常文件描述符的集合;
• 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间

参数timeout取值:

• NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件;

• 0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

• 特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

关于fd_set结构

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 是一个 “位图”. 使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符.

提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

关于timeval结构

timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。

函数返回值：

• 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
• 如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回
• 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds, exceptfds和timeout的值变成不可预测。

错误值可能为：

• EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
• EINTR 此调用被信号所中断
• EINVAL 参数n 为负值。
• ENOMEM 核心内存不足

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1.3.4.3 理解select执行过程

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd.

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1) *

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。

注意：没有事件发生的fd=5被清空。