Linux(13)(上)

旖旎夜光2026-02-02 13:10

一.认识IO和五种IO模型

引入：

  • 应用层 read 和 write 的本质是把数据从用户空间拷贝到内核空间（或反之）------本质上就是拷贝函数。

  • 但当缓冲区满（write）或空（read）时，操作无法立即完成，进程就会等待。

因此，I/O = 等 + 拷贝：

  • 等：判断设备或缓冲区是否就绪；

  • 拷贝：在用户空间与内核空间之间搬运数据。

高效 I/O 的核心是：单位时间内，"等"的比重越小，I/O 效率越高。

1.1 五种IO模型：

1.阻塞式 IO：发起 I/O 后一直等待，直到完成。

2.非阻塞 IO ：立即返回，未就绪则反复轮询。（非阻塞要搭配循环从而达到轮询的效果）

3.信号驱动 IO ：I/O 就绪时内核发信号通知进程。

4.多路复用 ：单线程监听多个 fd，就绪才操作。

5.异步 IO ：提交请求后不等，完成后由内核通知。

1.2 IO模型讲解：

  • 信号驱动 IO ：先注册信号处理函数，内核就绪时发信号通知，进程再执行拷贝。

  • 多路复用 ：由 select/epoll 等系统调用统一等待多个 fd 就绪 ，进程负责后续拷贝；与信号驱动类似，但用轮询/事件机制代替信号。

  • 异步 IO ：进程既不等也不拷贝 ------提交请求后做其他事，内核完成"等+拷贝"后通知结果。

同步IO/异步IO：

  • 同步 ：进程必须亲自完成数据拷贝 ；"等"可由自己阻塞，或由 select/信号等机制辅助。

  • 异步 ：进程不等待、不拷贝------提交请求后即返回，由内核完成全部 I/O 并通知结果。

同步执行/异步执行：

  • 同步执行 ：发起操作后，必须等它做完才能继续。

  • 异步执行 ：发起操作后，不用等，可以马上干别的事，结果 later 通知。

进程间同步：

  • 同步 ：协调多个进程的执行顺序，解决 "谁先谁后" 的问题。

  • 异步 ：各进程独立运行，不强制等待彼此 ，通过事件、消息等 later 交互。

本章重点是2和4，之所以有2是因为4设计到非阻塞的相关知识，顺便把2讲了

二.fcntl

文件描述符，默认都是阻塞IO，我们讲这个主要是用它修改成非阻塞IO

cpp 复制代码 
// 操作文件描述符属性（如设置非阻塞、获取/设置状态标志等）
// 通用性强 可用于 socket、pipe、普通文件等所有文件描述符
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

// 参数:
//   fd   - 文件描述符（如 socket 返回的 sockfd）
//   cmd  - 操作命令（如 F_GETFL、F_SETFL）
//   arg  - 可选参数（依 cmd 而定 通常为 int 或 struct flock*）

// 返回值:
//   成功：返回值依 cmd 而定（如 F_GETFL 返回标志，F_SETFL 返回 0）
//   失败：返回 -1 并设置 errno

// 常见用法：
// 获取当前文件状态标志
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL);
if (flags == -1) { /* error */ }

// 设置为非阻塞模式
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

// 设置为阻塞模式
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags & ～O_NONBLOCK);

注意：

  • 设置为非阻塞后，若底层 fd 数据未就绪，recv/read/write/send 会立即返回 -1；

  • 此时无法仅凭返回值区分是"资源未就绪 "还是"发生真实错误"；

  • 必须检查 errno：

若 errno == EAGAIN 或 EWOULDBLOCK，表示数据未就绪，属正常情况 ；（这也是上面讲IO的第二种形式内核会返回EWOULDBLOCK）

其他 errno（如 ECONNRESET, EBADF 等）表示真正的 I/O 错误。

三.select

1.select函数介绍

cpp 复制代码 
// I/O 多路复用：监视多个文件描述符是否可读、可写或发生异常
// 阻塞直到至少一个 fd 就绪、超时或被信号中断（常用于单线程高并发服务器）
#include <sys/select.h>

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

// 参数:
//   nfds       - [in] 待监视的文件描述符范围上限，应为所有 fd 中最大值 + 1
//   readfds    - [in/out] 指向"可读"文件描述符集合：
//                          输入：指定要监视哪些 fd 可读
//                          输出：返回后仅保留就绪的 fd
//   writefds   - [in/out] 指向"可写"文件描述符集合（语义同 readfds，可为 NULL）
//   exceptfds  - [in/out] 指向"异常"文件描述符集合（通常设为 NULL）
//   timeout    - [in/out] 超时控制：
//                          输入：指定最大等待时间（NULL = 永久阻塞；{0,0} = 立即返回）
//                          输出：某些系统会更新为剩余时间（Linux 不修改）

// 返回值:
//   > 0：就绪的文件描述符总数
//   = 0：超时，无 fd 就绪
//   -1：出错（如被信号中断、无效 fd 等），设置 errno

// 常用宏（操作 fd_set）:
//   FD_ZERO(&set)     - 清空集合
//   FD_SET(fd, &set)  - 将 fd 加入集合
//   FD_CLR(fd, &set)  - 从集合中移除 fd
//   FD_ISSET(fd, &set) - 检查 fd 是否在集合中（调用 select 后用于判断是否就绪）


// 注意:
//   • fd_set 是值-结果参数（传入关心的 fd，返回就绪的 fd）
//   • nfds 必须正确设置（不是 fd 总数，而是 max_fd + 1）
//   • select 修改传入的 fd_set 和 timeout（部分系统），若需复用应重新初始化
//   • 文件描述符数量受限（通常 <= 1024）

2.timeval结构

cpp 复制代码 
// 表示时间值（秒 + 微秒） 用于 select、gettimeofday 等函数
// 常用于设置超时或获取高精度时间
#include <sys/time.h>

struct timeval {
    time_t      tv_sec;  // 秒
    suseconds_t tv_usec; // 微秒（0 ～ 999999）
};

// 说明:
//   - 用于 select 时 若 tv_sec=0 且 tv_usec=0 表示非阻塞


// 典型用法：
// 设置 2.5 秒超时
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec  = 2;
timeout.tv_usec = 500000;

select(sockfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
3.1 select的要点

注意：

**1.**select除第一个函数是输入函数，其余全是输入/输出函数（你既要输入进去，内核还会给你输出回来）

**2.**2、3、4这三个函数，它们是采用位图，那位图是如何表示的呢（我们用读、8位比特举例）

  • 输入时，用户告诉内核，它想监听那些fd：

    这个图片就是，我想监听fd2和fd0

  • 输出时，内核告诉用户，那些fd就绪了：

这个图片就是，fd2就绪了可以读

3. 因此select必然涉及大量位图操作，因此内核给予宏让我们进行操作

4. 当 timeout != NULL 时，select 是限时阻塞（最多等 timeout 指定的时间）。

  • 输入：指定 select 最多阻塞等待的时间，例如 [5, 1] 表示 5 秒 + 1 微秒。

  • 输出：

    • 主动退出 ：若 2、3、4 中任意 fd 就绪，select 立即返回，timeout的值是总时间-就绪时间。

    • 被动退出 ：若超时到期仍无事件，select 返回 0，timeout的值是0。

    • 此时timeout就要重新输入，不然它的值就是上一次的返回值，因此每次select调用结束后都必须要给其重新输入，其实2、3、4也是要的因为它们都是输出函数

5. 如何知道2、3、4它们总共可以表示多少个文件描述符呢， 首先它们的类型是fd_set，因此可以使用sizeof取大小（单位字节），然后因为一个字节等于8位，而2、3、4它们是用1位代表一个文件描述符，因此sizeof取完要*8，这样就能知道有多少个文件描述符。

6. 因为 select 的 2、3、4 参数（readfds/writefds/exceptfds）是输入输出型参数：

  • 输入时：你设置关心的 fd 集合（比如 5 个）；

  • 输出时：内核只保留就绪的 fd（比如只剩 1 个），其余位被清零。

如果不重新设置，下次调用 select 就只会监听上次就绪的那 1 个 fd，漏掉原本也要关心的其他 4 个 。因此，每次调用 select 前都必须重新初始化这些 fd_set。

7. select 等的不只是 listen 套接字，还包括其他套接字的可读、可写或异常事件 。因此我们还需要对fd进行判断是准备要accept还是已经accept成功现在需要读

3.2 select的缺点

  1. 支持的文件描述符数量有限

    • 默认最多 FD_SETSIZE = 1024 个（fd 范围 0～1023），太少了。

  2. 输入输出参数设计低效

    • readfds/writefds/exceptfds 是输入输出型参数，每次调用后内容被内核修改；

    • 因此每次调用前都必须重新初始化关心的事件集合。

  3. 频繁的数据拷贝

    • 每次调用 select 都需将整个 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间，返回时再拷贝回来。

  4. 线性遍历开销大

    • 用户层：需遍历所有 fd 判断是否就绪（即使只有少数活跃）；

    • 内核层：也需遍历全部被监视的 fd 检查状态，时间复杂度 O(n)。

select的缺点那么多，那我们是如何对它进行改进的呢，关于后面的内容我应该会先带来select的重要代码，然后讲解poll函数！

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