五种IO模型

目录

一、五种IO模型

（一）阻塞IO

（二）非阻塞IO

（三）信号驱动IO

（四）IO多路转接

（五）异步IO

二、高级IO重要概念

（一）同步通信与异步通信

（二）阻塞与非阻塞

理解这四者的关系

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在进行网络编程或文件操作时，IO模型的选择对程序的性能和效率有着重要的影响。本文将介绍五种IO模型，并详细讨论非阻塞IO的相关内容。

IO有两个阶段：++数据准备、数据读写++，两个完整的阶段我们就成为一个IO过程。

通俗一点： IO = 等待 + 拷贝

一、五种IO模型

（一）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，这是最常见、也是之前使用最多的IO模型。

当调用IO接口时，本质就是在做用户层和内核层的数据拷贝，但是调用的时刻大概率是不一定满足就绪条件的，此时就会阻塞等待，直到读/写条件满足。

（二）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。

系统调用接口：

• fcntl

函数原型：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。此处使用第三种功能，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：

  void SetNoBlock(int fd){
      if(f1< 0){
          int fl = fcntl(fd, F_GETFL); 
          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。

具体示例：

• 非阻塞轮询方式读取标准输入

示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
#include <cerrno>

// 对指定的fd设置非阻塞
void SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(fl < 0)
    {
        std::cerr << "fcntl error" << std::endl;
        exit(0);
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}


int main()
{
    SetNonBlock(0);
    while(true)
    {
        char buffer[1024];
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer)-1); // sizeof(buffer)-1
        if(s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << std::endl; 
        }
        else if(s == 0)
        {
            std::cout << "end stdin" << std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            // 非阻塞等待， 如果数据没有准备好，返回值会按照出错返回, s == -1
            // 数据没有准备好 vs 真的出错了 ： 处理方式一定不是一样的。 s无法区分！
            // 数据没有准备好，算读取错误吗？不算。read，recv以出错的形式告知上层，数据还没有准备好
            if(errno == EWOULDBLOCK)
            {
                std::cout << "OS的底层数据还没有就绪, errno: " << errno << std::endl;
                // 做其他事情了
            }
            else if(errno == EINTR)
            {
                std::cout << "IO interrupted by signal, try again" << std::endl;
            }
            else
            {
                std::cout << "read error!" << std::endl;
                break;
            }
        }
        sleep(1);
    }
}

对于设置为非阻塞的文件描述符，读取的返回值 s ：

• s > 0: 读取成功，实际读取了 s 字节
• s == 0: 读到结尾，正常结束。
• s < 0: 数据并未准备好 / 读取出错

1. 数据并未准备好：设置错误码为 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN (本质是同一个数字）
2. 当正在读取数据时收到信号被打断，设置错误码为 EINTR
3. 排除前两种情况之后，则是真的出错了。

所以对于返回值小于0的情况需要再进一步判断。

以上是对于非阻塞的fd读取的示例，写入也是同理，同样把写条件未就绪归并为返回值小于0，并设置错误码。

（三）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。

在信号驱动 I/O 中，进程首先使用 sigaction 系统调用安装一个信号处理函数，并通过 fcntl 系统调用将文件描述符设置为非阻塞和信号驱动模式。

当内核中数据准备好时，会发送一个信号给进程。进程在收到信号后，再进行实际的 I/O 操作。

这种方式的优点在于：进程不必阻塞等待 I/O 操作完成，可以在等待数据准备好的同时执行其他任务，提高了 CPU 的利用率。

简单示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

void signalHandler(int signum) {
    std::cout << "Signal received. Performing I/O operation." << std::endl;
}

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);

    if (fd == -1) {
        std::cerr << "Error opening file" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 设置文件描述符为信号驱动 I/O
    fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | O_ASYNC);

    // 安装信号处理函数
    signal(SIGIO, signalHandler);

    // 设置当前进程为接收信号的进程
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

    char buffer[1024];
    while (true) {
        std::cout << "Doing other work..." << std::endl;
        read(fd, buffer, sizeof(buffer));
        sleep(1);
    }

    close(fd);

    return 0;
}

整个程序的目的是在执行其他工作的同时，能够响应与文件 I/O 相关的信号，并进行相应的处理。

例如，如果在文件有可读数据等情况下，会发送 SIGIO 信号，从而触发 signalHandler 函数的执行。

（四）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。

多路转接：select、poll、epoll，三者在IO种的定位都是相同的，都是在等待一堆文件描述符的条件就绪，只是原理和具体接口的使用不同，epoll的效率是最优的，后续文章再具体讲解多路转接部分。

（五）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）。

也就是通过调用特殊的API，使得等待和拷贝的过程都由内核完成，进程只用坐享其成的使用数据即可，因为IO具体过程的两步（等待、拷贝）都没有参与，所以是异步IO。

以下是一个简单的 C++ 异步 I/O 示例代码，

使用了 std::future 和 std::async 来模拟异步文件读取操作：

#include <iostream>
#include <future>
#include <fstream>

// 异步读取文件的函数
std::string asyncReadFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    std::string content;
    if (file.is_open()) {
        std::string line;
        while (std::getline(file, line)) {
            content += line + '\n';
        }
        file.close();
    }
    return content;
}

int main() {
    std::string filename = "example.txt";
    // 启动异步任务
    std::future<std::string> future = std::async(asyncReadFile, filename);

    std::cout << "Doing other work while reading the file asynchronously..." << std::endl;

    // 获取异步任务的结果
    std::string fileContent = future.get();

    std::cout << "File content: " << fileContent << std::endl;

    return 0;
}

小结

任何IO过程中，都包含两个步骤：等待和拷贝。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。

二、高级IO重要概念

（一）同步通信与异步通信

同步和异步关注的是消息通信机制。

• 同步：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：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，我们在学习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。

所以大家以后在看到"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。

（二）阻塞与非阻塞

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：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。

理解这四者的关系

可以用"妖怪蒸唐僧"的例子来理解这四者的关系：

• 同步阻塞：就像妖怪蒸唐僧时，一直守在蒸笼旁边，直到唐僧蒸熟（得到结果）才离开，这期间什么也不干，一直等待。
• 同步非阻塞：还是妖怪蒸唐僧，但是会时不时去看看唐僧熟了没（轮询），没熟就去干别的事，熟了就回来处理。
• 异步阻塞：这种情况比较奇怪，一般不太会出现，就像妖怪告诉别人，等唐僧熟了通知我，然后就在蒸笼旁边等着。
• 异步非阻塞：妖怪告诉别人，等唐僧熟了通知我，然后就去干别的事了，等收到通知再回来处理。