五种IO模型 - 技术栈

1、通信的本质：

通过网络通信的学习，我们能够理解网络通信的本质是进程间通信，而进程间通信的本质就是IO。

IO也就是input和output。当读取条件不满足的时候，recv会阻塞。write写入数据时，会将数据拷贝到缓冲区中，当缓冲区满了之后，也会进行阻塞等待。

recv实际上干了几件事情呢？

等
拷贝

所以这也可以映射出IO的本质就是

IO = 等 + 拷贝

那什么是高效的IO呢？

单位时间内，等的比重越低，IO效率就越高！

什么是高效的IO代码？

减少IO的比重，或者把等待的时间利用起来。

针对高效的IO，我们来讲解一下五种IO模型！

2、五种IO模型

我们平时在钓鱼的时候，一般分为两步：

钓鱼 = 等 + 钓。这正好对应着我们的IO本质。

所以我们用钓鱼的例子来分别引入这五种IO模型。

有五名角色，他们采用钓鱼的方法分别对应的五种不同的IO模型。

张三：他将鱼竿放在水里之后，眼睛就一直盯着鱼竿，其他什么事都不干，只一动不动的盯着鱼竿，这就是阻塞IO
李四：他将鱼竿放在水里之后，一直在动，一会看看鱼有没有上钩，一会看看张三在干嘛（但张三一直不理他，一直阻塞式一心一意的盯着自己的鱼竿），一会又看看报纸，一会又刷刷抖音，非常的忙。这也就是非阻塞IO！
王五：他在鱼竿上绑了一个铃铛，当鱼上钩的时候，就会发出信号提醒王五有鱼上钩了，这就是信号驱动IO
赵六：他是当地的有钱人，他拉来了一卡车的鱼竿，有200根鱼竿同时进行钓鱼，这个赵六呢就来回在岸边检测轮询。这就是多路复用，多路转接式的IO
田七：他不想自己去钓鱼，他本质想吃鱼，所以他让别人（操作系统）去钓鱼，最后坐收渔翁之利。这就是异步IO

这里的湖水就是OS内部缓冲区，水桶是用户的缓冲区，鱼是数据，而鱼竿是一个sockfd，文件描述符。

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: 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: 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: 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: 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.

什么是异步IO，什么是同步IO？

这个答案有争议，但是我们按照教材官方的解释就是只要参与IO，就是同步IO，参照上面的例子就是只要自己亲自参与钓鱼这个过程，就是同步IO，因此前面4种IO模型都是同步IO，只有最后田七没有自己参与IO，所以只有最后一种是异步IO

阻塞IO和非阻塞IO有什么区别呢？

区别就是等待的方式不一样。

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.

3.非阻塞IO

一个文件描述符, 默认都是阻塞 IO.

那我们如何实现非阻塞IO呢？

我们使用一个函数fcntl()，函数原型如下.

#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 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.

cpp 复制代码

#pragma once
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>

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

void SetNonBlock(int fd)
{
   //首先获取原来标志位
   int fl = ::fcntl(fd , F_GETFL);
   if(fl < 0)
   {
       std::cout<< "fcntl error " << std::endl;
       return ;
   } 
   //设置非阻塞标志位
   int n = ::fcntl(fd , F_SETFL , fl | O_NONBLOCK);
   if(n < 0)
   {
       perror("fcntl error \n");
       return ;
   }
   return ;
}

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，就将该文件描述符设置为非阻塞

我们将标准输入设置为非阻塞的时候，运行程序：

如果是非阻塞，底层数据没有就绪，IO接口会以出错的形式返回。

那么如何区分是真的出错了还是底层不就绪的非阻塞IO返回呢？仅仅通过返回值是无法区分的了，但是我们可以参考read函数中的errno全局错误码，将错误详细的输出，所以我们根据errno具体情况进行区分！

同样的recv，send...IO系列接口都是会设置errno全局错误码。

可以看到errno被设置为了11，那11代表什么呢？11就是EWOULDBLOCK错误：

#define EAGAIN 11 /* Try again */

...

#define EWOULDBLOCK EAGAIN /* Operation would block */

这就表示底层数据不就绪，可以try again，如果真的出错了，errno就会被设置成其他格式。

所以我们根据这一特性来重新编写我们的代码

cpp 复制代码

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

int main()
{
    char buffer[1024];
    SetNonBlock(0); // 将0设置为非阻塞
    while (true)
    {
        ssize_t s = ::read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "Echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else
        {
            // 问题:我怎么知道是底层IO条件不就绪，还是读取错误了呢？？？
            //  底层IO条件就绪和读取错误采用的是同样返回值操作的
            if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN)
            {
                std::cout << "底层数据没有就绪, 下次在试试吧! 做做其他事情！" << std::endl;
                sleep(1);
                continue;
            }
            else if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                std::cout << "读取错误... s : " << s << " errno: " << errno << std::endl;
                sleep(1);
            }
        }
    }
}

运行结果：

这里必须线删除fd，因为如果先关闭fd的话，再删除fd，这里的fd就不是合法的了

循环读取的时候，为什么会出现阻塞呢

大概率会让滑动窗口变大，并行就会发送更多的数据