计算机网络之五种IO模型与阻塞IO

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计算机网络之五种IO模型与阻塞IO

收录于专栏【计算机网络】
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五种IO模型

阻塞IO

非阻塞IO

[同步通信 vs 异步通信](#同步通信 vs 异步通信)

[阻塞 vs 非阻塞](#阻塞 vs 非阻塞)

五种IO模型

阻塞IO

**阻塞IO：**在内核中将数据准备好之前，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

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）。

高级IO重要概念

这里需要强调几个重要的概念。

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，调用者不会立即得到结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知者，或通过回调函数处理这个调用。

另外，我们回忆在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时完全不相干的该概念。

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的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。

在看到同步这个词，一定要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，还是同步或互斥的同步。

阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序员在等待调用的结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞调用是调用结果返回之前，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，记录锁，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。

后面我会重点介绍 I/O 多路转接

非阻塞IO

fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞 IO。

函数原型如下：

cpp 复制代码

#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中功能：

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_SETFD)。

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

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

cpp 复制代码

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。

轮询方式读取标准输入

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}
int main()
{
    SetNoBlock(0);
    while (1)
    {
        char buf[1024] = {0};
        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (read_size < 0)
        {
            perror("read");
            sleep(1);
            continue;
        }
        printf("input:%s\n", buf);
    }
    return 0;
}