五种IO模型

• IO的本质就是 = 等 + 拷贝 , 因为读写条件不满足，会阻塞，等待满足后才可读写。

五种IO模型分类

• 其中，阻塞，非阻塞，信号驱动，多路复用多路转接都是同步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.

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高级 IO

重要概念

在这里, 我们要强调几个概念

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相干的概念.

• 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. 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.

我们此处重点讨论的是 I/O 多路转接

非阻塞 IO

open,send,recv 等读写操作都有相应的标记为来改变等待的模式，可以使用这个实现非阻塞IO。

fcntl

一个文件描述符, 默认都是阻塞 IO. 那么我们只需要将文件描述符直接设置为非阻塞就实现了非阻塞IO。fcntl系统调用可以实现。

• 函数原型如下.
  

• 参数介绍：

  • fd: 文件描述符，一个非负整数，表示要操作的打开文件。
  • cmd: 要执行的命令。不同的命令可能需要不同的第三个参数。
  • …: 根据 cmd 的不同，可能需要额外的参数，这个参数是可选的。

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).（F_GETFL: 获取文件描述符 fd 的文件状态标志）
• 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);  //获取标记位状态
	if (fl < 0) {
		perror("fcntl");
		return;
	}
	fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);   //将老的标记为或上一个新的标记位(非阻塞)
}

• 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.

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "NonBlock.hpp"

#include<fcntl.h>

void NoNBlock(int fd)   // 非阻塞IO
{
    int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);
}

// 非阻塞IO 系统调用fcnlt测试代码
int main()
{
    NoNBlock(0);
    char buffer[1024];

    while (true){
        ssize_t n = ::read(0, buffer, sizeof(buffer));
        if (n > 0){
            buffer[n] = 0;
            std::cout << "read success,buffer::" << buffer << std::endl;
        }
        else{
            if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 读条件还没准备就绪			{
                std::cout << "还没准备就绪，去做其他事情再来" << std::endl;
                sleep(1);
                continue;
            }
            else if (errno == EINTR) // 被信号终止{
                std::cout << "被信号打断" << std::endl;
                sleep(1);
                continue;
            }
            else // 读取出错{
                std::cout << "read failed" << std::endl;
                sleep(1);
            }
        }
    }

    return 0;
}

• 对于大多数系统来说，EAGAIN和EWOULDBLOCK是相同的，它们都表示资源暂时不可用，且操作无法立即完成。

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