Linux——五种IO模型

news2024/12/24 21:20:38

一、I/O的理解

二、五种IO模型

1.阻塞式IO

2.非阻塞式IO

3.信号驱动IO

4.多路复用IO

5.异步IO

一、I/O的理解

I/O的本质就是输入输出，C语言的stdio，C++的iostream，添加了这两个库，我们才能够进行printf、scanf、cin、cout。

在I/O中，我们大部分时间是在等，比如你调用了scanf()，当前进程就在等待你的输入，你输入完毕后，把输入数据拷贝到内存中，才会继续执行。因此，I/O = 等 + 拷贝。拷贝的效率是硬件决定的，但是等待的时间，是可以由程序来优化的。单位时间内，减少了等的比重，这也就提高了I/O效率。

在网络中，我们经常需要去recv和send，recv是在等待对方发送消息，我来接受，如果此时对方还没有发送消息，我们就会在recv这里阻塞；send则是我发送消息，对方接受消息，当对方的接受缓冲区满了，也会造成阻塞，直到对方接收缓冲区有空间了，才可以发送过去。

如果现在我可以去干自己的事情，等我收到的对方通知（他的条件满足），我们再去调用recv或者send函数，这样就大大提高了效率。

二、五种IO模型

为了理解五种IO模型，我们来看个钓鱼的例子，钓鱼 = 等 + 钓，这里可以把钓看做是拷贝，钓都是一样的，但是等的过程不相同。

张三：永远看着鱼漂，谁叫他都没有 ——阻塞式IO
李四：一会看看鱼漂，一会看看书、刷书视频 ——非阻塞轮询式IO
王五：铃铛绑在的鱼竿顶部（铃铛响了，就开始抬杆） ——信号驱动式IO
赵六：100个鱼竿一起钓，哪个鱼漂动了就去哪里 ——多路复用IO
田七：发起了钓鱼，让助手小王去钓鱼，自己去干其他事情 ——异步IO

其中，阻塞、非阻塞、信号驱动、多路复用都是同步IO，他们都参与了IO的过程，要么等了、要么拷贝了、或者都做了。

而田七只是发起了钓鱼，然后就当甩手掌柜，交给小王去等去拷贝，自己并没有参与，他是异步IO。

在这个故事中，河流是操作系统，鱼是数据，鱼漂是数据就绪条件，鱼竿是文件描述符。

1.阻塞式IO

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

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

int main()
{
    while (true)
    {
        char buff[1024];
        ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff - 1));
        if(s>0)
        {
            buff[s] = '\0';
            std::cout<<"echo# "<<buff<<std::endl;
        }
        else if (s==0)
        {
            std::cout<<"end stdin"<<std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            //TODO
        }
    }
}

2.非阻塞式IO

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。

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

//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
void SetNoBlock(int fd) 
{             
    // 获取fd文件描述符的状态标志
    int f1 = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (f1 < 0)
    {
        std::cerr << "fcntl error" << std::endl;
        exit(0);
    }
    // 设置fd文件描述符的状态标志   f1为老标志的内容，O_NONBLOCK为非阻塞
    fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNonBlock(0);
    while (true)
    {
        char buff[1024];
        ssize_t s = read(0, buff, sizeof(buff) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buff[s] = '\0';
            std::cout << "echo# " << buff << std::endl;
        }
        else if (s == 0)
        {
            std::cout << "end stdin" << std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            // 非阻塞等待，数据没有准备好，返回值仍然是 -1  但不认为是出错
            // 因此我们需要查看错误码，看具体原因
            if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN)
            {
                std::cout << "OS的底层数据还没有就绪,errno: " << errno << std::endl;
            }
            else if(errno == EINTR)
            {
                std::cout << "IO 被信号中断,请再次尝试"<< std::endl;
            }
            else
            {
                //这里才是read出错
                break;
            }
        }
        sleep(1);
    }
}

3.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操作。

4.多路复用IO

IO多路复用：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多路复用能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

操作系统给我们提供了select系统调用，我们可以将很多文件描述符交给select管理。多个文件描述符就绪的概率是要比前面IO模式单个文件描述符就绪的概率高得多，当有文件描述符准备就绪，select不进行拷贝，而是通知应用程序，让应用程序去进行相应的IO处理，此时，是不会出现IO阻塞的情况，因为是收到的通知才进行的IO。大大提高了效率。

select的使用