【Linux Network】高级IO

目录

前言

五种IO模型

阻塞IO

非阻塞IO

信号驱动IO

IO多路转接

异步IO

小结

同步通信 vs 异步通信

阻塞 vs 非阻塞

其他高级IO

非阻塞IO

fcntl函数

代码测试

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 高级IO🌷

 前言

IO：所谓的I便是 input，所谓的O便是 output，简单点来说，我们平常使用键盘打字便是I，内容显示到显示器上便是O ；

我们知道我们打字的速度相对于计算机的CPU来说是非常慢的，因此CPU执行的业务如果IO

操作非常多的话，那么CPU在很长时间都是处于等待状态的；

可能大家对IO的整个过程不是特别了解，我将在此画一张图帮助大家更好的理解IO的大体过程；

可能大家会有这样一个误区：我们使用write系统调用接口是直接将数据发送至网络中的，使用read系统调用接口是直接从网络中取数据的，但其实不是如此；

在传输层中是存在着发送缓冲区和接收缓冲区的，我们使用read/recv系统调用接口是从发送缓冲区中读取数据的，使用write/send等系统调用接口是将数据先存到发送缓冲区中的；

发送缓冲区和接收缓冲区是存在水位线的，当发送缓冲区的数据超过水位线时，数据将被发送至网络，当接收缓冲区的数据超过水位线时，数据将被上层应用所读取；

实际上：IO=等+拷贝；

高级IO的本质：减少等待的时间；

五种IO模型

同步IO：

1. 阻塞IO；
2. 非阻塞IO；
3. 信号驱动IO；
4. IO多路转接；

异步IO：

阻塞IO

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

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

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

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

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.

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；

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.

其他高级IO

非阻塞 IO ，纪录锁，系统 V 流机制， I/O 多路转接（也叫 I/O 多路复用） ,readv 和 writev 函数以及存储映射IO（ mmap ），这些统称为高级 IO.

我们下篇博客重点讨论的是 I/O 多路转接；

非阻塞IO

一个文件描述符 , 默认都是阻塞 IO；

我们要想其是非阻塞IO，便要使用到 fcntl 函数；

fcntl函数

fcntl函数可以改变已打开的文件性质。针对cmd的值，fcntl能够接受第三个参数int arg。

函数原型如下：

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

参数：

• fd：要修改的文件描述符；
• cmd：传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同；
• ... /* arg */：在此不做讨论；

返回值：

• fcntl的返回值与命令有关。如果出错，所有命令都返回-1，如果成功则返回某个其他值。

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；

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); if (fl < 0) { perror("fcntl");return; }fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); 
}

• 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；

代码测试

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>void SetNonBlock(int fd)
{int f1 = fcntl(fd, F_GETFL);if(f1<0){perror("fcntl");return ;}fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}int main()
{//设置文件描述符:0为非阻塞SetNonBlock(0);while(1){char buffer[1024];ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer)-1);//读取到了数据if(s>0){buffer[s] = '\0';write(1, buffer, strlen(buffer));printf("read success, s: %d, errno: %d\n",s,errno);}else{//s==0:缓冲区中无数据if(errno ==EAGAIN || errno ==EWOULDBLOCK){printf("数据还没准备好，请等待！\n");sleep(1);}else {//读取失败printf("read failed, s: %d, errno: %d\n", s, errno);}}}return 0;
}