五种IO模型和非阻塞IO

一、几个前置知识：

1、在应用层的这些read和write函数，本质就是把数据从用户层写给操作系统，这些函数本质也

是拷贝函数。

2、对IO的理解应该是：IO时间=等待时间+拷贝时间

3、要进行拷贝，就必须判断条件是否成立（比如读就要看接受缓冲区是否有数据，写就要看发送

缓冲区是否有数据），而这个条件就被称为读写事件。

4、高效IO就是之单位时间内拷贝的数据量大，也就是说，在单位时间内，IO过程中，等的比重越小，IO的效率越高。

5、几乎所有提高IO效率的办法，都是减小等的比重。

二、五种IО模型

2.1、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：

2.2、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往往需要通过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。

2.3、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。

2.4、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。

2.5、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)。

总结:

1、阻塞式IO、非阻塞式IO、信号驱动式IO、多路转接这四种都是同步IO。

2、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1O更高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量少。

3、阻塞式IO和非阻塞式IO在IO效率上是一样的，因为他们都在等，只不过等的方式不同而已。

4、同步IO和异步IO的区别是有没有直接参与IO的过程，直接参与IO就叫同步IO，不直接参与IO就叫异步IO ，异步IO知识发起IO，最后拿结果就行。

5、上述IO效率最高的是多路复用（多路转接）。

三、非阻塞IO

3.1fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞IO

函数原型如下：

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：

（1）复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD）

（2）获得/设置文件描述符标记（Cmd=F_GETFD或F_SETFD）

（3）获得/设置文件状态标记(Cmd=F_GETFL或F_SETFL)

（4）获得/设置异步I/O所有权(Cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)

（5）获得/设置记录锁(Cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

注意：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。

3.2实现函数SetNoBlock

基于fcntl，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 error");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
    cout << "set " << fd << " done" << endl;
}

使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来（这个属性是一个位图），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。

四、轮询方式读取标准输入

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>

using namespace std;

void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
    {
        perror("fcntl error");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
    cout << "set " << fd << " done" << endl;
}

int main()
{
    char buffer[1024];
    SetNoBlock(0);
    while (true)
    {
        cout << "please enter@" << endl;
        fflush(stdout);
        ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer));
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            cout << "echo:" << buffer << endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            cout << "read done" << endl;
        }
        else
        {
            // 1、设置为非阻塞轮询，如果底层fd的数据没有就绪，recv/read/write/send等就会以出错的形式给我们返回
            // 2、有可能真的出错，有可能是底层资源未就绪，就通过errno错误码进行区分
            if (errno == EWOULDBLOCK)
            {
                cout << "0 fd data not ready, try again!!!" << endl;
                // 等待的时候可以做其他事情
                sleep(1);
            }
            else
            {
                // 出错了
                cerr << "read error, n =" << n << ", errno:" << errno << ", errno reason:" << strerror(errno) << endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

运行结果：