Linux之高级IO

IO基本概念

I/O（input/output）也就是输入和输出，在著名的冯诺依曼体系结构当中，将数据从输入设备拷贝到内存就叫做输入，将数据从内存拷贝到输出设备就叫做输出。

对文件进行的读写操作本质就是一种IO，文件IO对应的外设就是磁盘。
对网络进行的读写操作本质也是一种IO，网络IO对应的外设就是网卡。

IO存在最主要的问题就是效率问题，IO的效率极为低下的，我们以读取数据为例：

当我们read/recv的时候，如果底层缓冲区中没有数据，read/recv就会阻塞等待；
当我们read/recv的时候，如果底层缓冲区中有数据，read/recv就会进行拷贝，在学习TCP的时候我们知道read/recv等一系列接口本质就是拷贝函数。

由此我们就可以知道IO的本质就是等待 + 数据拷贝，只要缓冲区中没有数据，read/recv就会一直阻塞等待，直到缓冲区中出现数据，然后进行拷贝，所以说read/recv就会花费大量时间在等这一操作上面，这就是一种低效的IO模式。

我们如果想要解决这个问题，就需要让等的比重降低，这样，IO的效率就提高了，接下来我们以钓鱼人的例子来理解一下IO模型。

五种IO模型

钓鱼人例子

IO的过程其实跟钓鱼是非常相似的，IO中等的过程其实就相当于钓鱼等待鱼上钩的过程，而拷贝到过程就相当于把鱼从水里装进桶里的过程。

我们来看下面这五个人的钓鱼方式：

张三：1根鱼竿，将鱼钩扔进水里以后，就一直盯着浮标一动不动，不理会外界的任何动静，直到鱼上钩；
李四：1根鱼竿，将鱼钩扔进水里以后，可以干其他的事情，定期观察浮标的动静，如果鱼上钩就将鱼钓上来，没有就继续干其他事情；
王五：1根鱼竿，但是在鱼竿上绑了一个铃铛，将鱼钩扔进水里以后，可以干其他的事情，铃铛一响就知道鱼上钩了，将鱼钓上来；
赵六：100根鱼竿，将100根鱼竿都放置好，然后定期观察着100根鱼竿的状态，如果某个鱼竿有鱼上钩就将鱼钓上来；
田七：田七是一个领导，带了一个司机，此时田七也想钓鱼，但是他要回公司开会，所以他拿来一根鱼竿，让自己的司机去钓鱼，让司机把桶装满了给他打电话来接他。

张三，李四和王五钓鱼的效率一样吗？

张三，李四和王五钓鱼的效率钓鱼的效率本质上是一样的，因为他们都是拿着一根鱼竿，在等待鱼上钩，鱼咬钩的概率是一样的。

他们只不过是等待鱼上钩的方式不一样，张三是死等，李四是定期检查浮标，王五则是通过铃铛的提示来判断鱼是否上钩。

谁的效率更高？

显而易见，赵六的效率是最高的，因为赵六有100根鱼竿，上鱼的概率是最大的，单位时间内，赵六鱼上钩的效率远远大于张三，李四和王五。

因为赵六减少了等待的概率发生，增加了拷贝的时间，所以效率是最高的。

如何看待田七钓鱼方式？

田七是将钓鱼这件事交给自己的司机去做了，自己就可以去干其他事情了，他并不关心司机是怎么钓鱼的，司机可以采用张三，李四，王五和赵六中的任意一种方式，田七只关心最后将桶装满了没。

田七并没有参与钓鱼的过程，他将钓鱼的任务安排给了司机，在司机钓鱼期间他可以做任何事情，如果将钓鱼看作是一种IO的话，那田七的这种钓鱼方式就叫做异步IO。

而对于张三、李四、王五、赵六来说，他们都需要自己等鱼上钩，当鱼上钩后又需要自己把鱼从河里钓上来，对应到IO当中就是需要自己进行数据的拷贝，因此他们四个人的钓鱼方式都叫做同步IO。

五种IO模型

这五个人的钓鱼方式对应了五种IO模型：

张三这种死等方式叫做阻塞IO；
李四这种定时检测的方式叫做非阻塞IO；
王五这种通过设置铃铛得知事件是否就绪的方式就是信号驱动IO；
王五这种一次等待多个鱼竿上有鱼的钓鱼方式就是IO多路转接；
田七这种让别人帮自己钓鱼的钓鱼方式就是异步IO。

阻塞IO

阻塞IO就是在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。

图示如下：

在这里插入图片描述

所有的套接字，默认的都是阻塞方式；

recvform读取数据时，由于底层的某些数据还没有准备就绪，此时就需要等待数据就绪，当数据就绪后就会将数据从内核拷贝到应用空间，最终 recvform函数返回成功；
recvform函数在等待过程中，本质上还是操作系统将该进程或者线程设置为某种非R状态，将其放入等待队列之中，而用户所看见的就是进程或者是线程阻塞住了，当数据就绪后操作系统就将等待的进程或线程唤醒，进而将数据从内核拷贝到应用空间；

非阻塞IO

非阻塞IO就是，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。

图示如下：

在这里插入图片描述
非阻塞IO往往需要程序员以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。

调用recvform函数时，如果底层数据没有准备好，此时就不会等待数据就绪，而是直接返回EWOULDBLOCK错误码，如果一直没有数据就绪，就会一直返回EWOULDBLOCK错误码，直到底层数据就绪，将数据拷贝到应用程序；
每次recvform函数读取数据是，就算底层数据没有成功，依然会立马返回，在用户看来进程或线程就没有被阻塞住，我们就称之为非阻塞IO；

阻塞IO与非阻塞IO的最大区别就在于阻塞IO是操作系统识别到数据就绪后唤醒进程或线程，而非阻塞IO是用户一直进行检测，直到数据准备就绪。

信号驱动IO

信号驱动IO就是当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。

图示如下：

在这里插入图片描述
当底层数据就绪的时候会向当前进程或线程递交SIGIO信号，因此可以通过signal或sigaction函数将SIGIO的信号处理程序自定义为需要进行的IO操作，当底层数据就绪时就会自动执行对应的IO操作。

调用recvform函数从套接字上读取数据时，可以将该操作定义为SIGIO的信号处理程序，当底层数据就绪时，操作系统就会递交SIGIO信号，此时就会自动执行我们定义的信号处理程序，进程将数据从内核拷贝到用户空间；
信号的产生是异步的，但信号驱动IO是同步IO的一种。信号在任何时刻都可能产生，但信号驱动IO是同步IO的一种，因为当底层数据就绪时，当前进程或线程需要停下正在做的事情，转而进行数据的拷贝操作，因此当前进程或线程仍然需要参与IO过程。

IO多路转接

IO多路转接也叫做IO多路复用，能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

在这里插入图片描述

IO的过程实际上是“等 + 拷贝的过程”，调用recvform函数之后，数据未就绪就等，数据就绪了以后就进行数据的拷贝，但是尽管recvform可以实现“等这一操作”，但是一次只能等待一个文件描述符，效率太低了；
所以系统为我们提供了select/epoll/poll三组接口，这些接口的核心工作就是“等”，我们可以将所有“等”的工作都交给这些多路转接接口；
因为这些多路转接接口是一次“等”多个文件描述符的，因此能够将“等”的时间进行重叠，当数据就绪后再调用对应的recvfrom等函数进行数据的拷贝，此时这些函数就能够直接进行拷贝，而不需要进行“等”操作了。

异步IO

异步IO就是由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序。

图示如下：

在这里插入图片描述

进行异步IO需要调用一些异步IO的接口，异步IO接口调用后会立马返回，因为异步IO不需要你进行“等”和“拷贝”的操作，这两个动作都由操作系统来完成，你要做的只是发起IO，当IO完成后操作系统会通知应用程序，因此进行异步IO的进程或线程并不参与IO的所有细节。

高级IO重要概念

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，所有没有返回结果；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。

为什么非阻塞IO在没有得到结果之前就返回了？

IO分为“等”和"拷贝”两步，当数据没有准备就绪的时候，recvform调用进行非阻塞IO时，就会直接返回，但是此时返回的并不是一个完整的IO过程，而是一个错误的返回；
因此该进程或线程后续还需要继续调用recvfrom，轮询检测数据是否就绪，当数据就绪后最后再把数据从内核拷贝到用户空间，这才是一次完整的IO过程。

因此，在进行非阻塞IO时，在没有得到结果之前，虽然这个调用会返回，但后续还需要继续进行轮询检测，因此可以理解成调用还没有返回，而只有当某次轮询检测到数据就绪，并且完成数据拷贝后才认为该调用返回了。

同步通信 VS 同步与互斥

在多进程与多线程里面有同步与互斥的概念，IO中也存在同步的概念，但是这两个同步是完全不相干的。

多进程与多线程下同步是指，在保证数据安全的前提下，让进程或线程按照某种特定的方式访问临界资源，从而有效的避免了饥饿问题，讨论的是线程/进程间的工作关系；
而同步IO指的是进程/线程与操作系统之间的关系，谈论的是进程/线程是否需要主动参与IO过程。

阻塞 VS 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。

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。

阻塞IO

我们可以用read函数从标准输入当中读取数据为例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main()
{
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "read error" << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

程序运行以后，我们会发现，如果我们不进行数据的输入操作，程序就会一直阻塞住，根本原因就是底层数据没有就绪，read函数在阻塞式等待。

在这里插入图片描述
当我们输入数据以后，此时read函数就会检测到底层的数据已经就绪了，就会将缓冲区中的数据拷贝到我们的buffer数组中，并且将读取到的数据输出到显示器上面，最后我们就看到了我们输入的字符串。

在这里插入图片描述

非阻塞IO

打开文件时默认都是以阻塞的方式打开的，如果要以非阻塞的方式打开某个文件，需要在使用open函数打开文件时携带O_NONBLOCK或O_NDELAY选项，此时就能够以非阻塞的方式打开文件。

在这里插入图片描述
我们一般用统一的方式来进行非阻塞设置，就是fcntl函数。

fcntl函数

fcntl函数的原型如下：

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

参数说明：

fd：已经打开的文件描述符。
cmd：需要进行的操作。
…：可变参数，传入的cmd值不同，后面追加的参数也不同。

fcntl函数常用的5种功能与其对应的cmd取值如下：

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）。

返回值说明：

如果函数调用成功，则返回值取决于具体进行的操作。
如果函数调用失败，则返回-1，同时错误码会被设置。

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。

bool SetNoBlock(int fd)
{
    // 在底层获取fd对应文件描述符的标志位
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
        return false;

    // 设置非阻塞IO
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

    return true;
}

此时我们在以非阻塞轮询方式读取标准输入。

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

bool SetNoBlock(int fd)
{
    // 在底层获取fd对应文件描述符的标志位
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
        return false;

    // 设置非阻塞IO
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

    return true;
}
int main()
{
    SetNoBlock(0);
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        sleep(1);
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "read error "
                      << "errno: " << errno << "errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
            if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN)
            {
                std::cout << "当前0号fd数据未就绪,请再试一次" << std::endl;
                continue;
            }
            else if (errno == EINTR)
            {
                std::cout << "当前IO信号可能被中断,请再试一次" << std::endl;
                continue;
            }
        }
    }
    return 0;
}

需要注意的是，调用read函数以后，如果底层数据没有就绪，就会立马返回一个错误信息，但是此时我们是需要对返回的的错误信息进行甄别的，我们需要知道是真的出错了还是只是底层数据没有就绪。如果错误码的值是EAGAIN或EWOULDBLOCK，说明本次调用read函数出错是因为底层数据还没有就绪，因此后续还应该继续调用read函数进行轮询检测数据是否就绪，当数据继续时再进行数据的读取。

此外，调用read函数在读取到数据之前可能会被其他信号中断，此时read函数也会以出错的形式返回，此时的错误码会被设置为EINTR，此时应该重新执行read函数进行数据的读取。

程序运行以后，底层数据如果没有就绪，此时read函数就会轮询进行检测：

在这里插入图片描述
一旦我们进行了输入操作，此时read函数就会在轮询检测时检测到，紧接着立马将数据读取到从内核拷贝到我们传入的buffer数组当中，并且将读取到的数据输出到显示器上面，然后继续进行轮询检测。