【高级IO-1】探索五种 I/O 模型及其高级I/O技术：基于 fcntl() 的代码应用

news2024/12/23 13:24:26

文章目录

  • 1. 五种IO模型
  • 2. 高级IO的重要概念
    • 2.1 同步通信 与 异步通信
    • 2.2 阻塞与非阻塞
    • 2.3 如何理解四者间的关系？
  • 3. 其他高级IO
      • 3.1 非阻塞 I/O
      • 3.2 纪录锁（Record Lock）
      • 3.3 系统 V 流机制
      • 3.4 I/O 多路复用（I/O Multiplexing）
      • 3.5 readv 和 writev 函数
      • 3.6 存储映射 I/O（mmap）
  • 4. 代码理解
    • 非阻塞IO
      • fcntl()
      • ① SetNonBlock（设置进程非阻塞状态）
      • ② **轮询方式读取标准输入**

1. 五种IO模型

我们以一个例子：对于钓鱼，可以总体分为等待和鱼上钩两个过程。

假设有五个人去钓场钓鱼：

  • A：一直盯着鱼钩，期间不做其他事，直到上鱼。
  • B：拿着手机，同时钓鱼和看手机，每隔一段时间去看一看鱼钩。
  • C：在鱼漂处挂一个铃铛，专注看手机，直要铃铛一响，就证明上鱼了，此时收杆。
  • D：直接架起10个鱼钩，来回走动，观察每个杆的情况。
  • E：根本不去钓场，让自己的小弟e去钓鱼，E安排好情况后就去上班了，当e钓到鱼后给E汇报情况即可。

不妨想想，哪个人的钓鱼效率最高？

正如前面的效率问题，只要单位时间等待的时间比重越短，效率最高，
比如钓场的一条鱼一定会上钩，那么对于D来说，钓到鱼的概率就是10/14，而其他人就是1/14，自然D的效率最高，而对于上面五种方式，实际上为五种IO模型：

  1. 阻塞式 IO (Blocking IO)：

    • 当应用程序发起一个 IO 请求时，程序会被阻塞直到该 IO 操作完成。
    • 在阻塞式 IO 模型中，应用程序在等待 IO 操作完成期间会被挂起，直到数据准备好被读取或写入。

  2. 非阻塞式 IO (Non-blocking IO)：

    • 在非阻塞式 IO 模型中，应用程序发起一个 IO 请求后不会被阻塞，而是立即返回。
    • 应用程序可以周期性地检查 IO 操作是否完成，从而避免了被阻塞的情况。
    • 虽然非阻塞 IO 模型减少了等待时间，但是需要应用程序不断轮询以检查 IO 状态，可能会增加 CPU 开销。

  3. 多路复用式 IO (I/O Multiplexing)：

    • 多路复用式 IO 模型通过 select、poll 或 epoll 等机制，允许应用程序同时监视多个 IO 事件。
    • 应用程序通过调用这些机制中的一个来等待多个 IO 事件的发生，从而避免了阻塞。
    • 当某个 IO 事件发生时，应用程序会被唤醒，并可以处理该 IO 事件。

  4. 信号驱动式 IO (Signal-driven IO)：

    • 在信号驱动式 IO 模型中，应用程序发起一个 IO 请求后，继续执行其他任务。
    • 当 IO 操作完成时，操作系统向应用程序发送一个信号来通知 IO 完成，然后应用程序处理该信号并读取或写入数据。

  5. 异步 IO (Asynchronous IO)：

    • 异步 IO 模型中，应用程序发起一个 IO 请求后，不需要等待 IO 操作完成，而是可以继续执行其他任务。
    • 当 IO 操作完成时，操作系统会通知应用程序，应用程序可以处理已完成的 IO 操作。

我们把IO分为了两个阶段（等 &拷贝），如果两个阶段参加了任意一个（或都参加），就叫做同步IO（A~D），如果没有参加任意一个阶段，则为异步IO（E）

2. 高级IO的重要概念

2.1 同步通信 与 异步通信

上面我们通过例子简单介绍了同步通信与异步通信的概念，这里我们加深一下了解：

  1. 同步通信：

    • 在同步通信中，发送方发送数据后会等待接收方对数据的响应，直到接收到响应后才继续执行后续操作。
    • 这意味着发送方和接收方在通信过程中是相互等待的，直到完成数据的传输和处理。
    • 同步通信的一个常见例子是阻塞式 I/O，比如传统的文件 I/O 操作和网络套接字的阻塞模式。

  2. 异步通信：

    • 在异步通信中，发送方发送数据后不会立即等待接收方的响应，而是继续执行其他操作。
    • 发送方在发送数据后不会阻塞等待，而是通过回调函数、轮询或事件驱动等方式在后续得到接收方的响应或通知。
    • 异步通信的一个常见例子是非阻塞式 I/O，比如异步 I/O 操作和事件驱动的网络编程模型。

简单总结，即：

  • 在同步通信中，调用者发出请求后会主动等待结果的返回，直到得到结果才继续执行后续操作。
  • 在异步通信中，调用者发出请求后不会立即等待结果，而是继续执行其他操作，被调用者则通过状态、通知或回调函数等方式通知调用者结果的情况。

2.2 阻塞与非阻塞

阻塞：

  • 阻塞模式下，当程序执行一个操作时，如果该操作无法立即完成，程序将暂停执行，直到操作完成才会继续执行后续操作。
  • 阻塞模式下，调用者会一直等待直到操作完成，期间无法进行其他任务。

非阻塞：

  • 非阻塞模式下，当程序执行一个操作时，如果该操作无法立即完成，程序将不会暂停执行，而是立即返回一个状态或错误码给调用者。
  • 非阻塞模式下，调用者可以继续执行其他任务，不必等待操作完成。

2.3 如何理解四者间的关系？

  1. 同步通信可以是阻塞或非阻塞，例如：
    • 在同步阻塞通信中，发送方发送消息后会阻塞等待接收方响应；
    • 而在同步非阻塞通信中，发送方发送消息后可以继续执行其他任务，但会定期检查接收方的响应状态。

2. 异步通信通常是非阻塞的，因为发送方发送消息后不会等待接收方响应，而是继续执行其他任务，接收方处理完消息后再通知发送方。

3. 其他高级IO

下面简单介绍一些高级IO，下文将讨论的是I/O多路转接：

当然，下面是对这些高级 I/O 技术的简单介绍：

3.1 非阻塞 I/O

  • 定义：非阻塞 I/O 是一种 I/O 操作模式，在该模式下，I/O 操作不会阻塞当前线程。如果数据无法立即读取或写入，I/O 操作会立即返回，而不是让线程等待直到操作完成。
  • 特点：
    • 适用于需要处理大量并发连接的场景。
    • 常用于网络编程中，例如在网络服务器中处理多个客户端连接。

3.2 纪录锁（Record Lock）

  • 定义：纪录锁是一种锁机制，用于对文件中的特定区域进行锁定。这种锁通常用于数据库系统或其他需要锁定特定记录的应用程序。
  • 特点：
    • 可以锁定文件的部分内容而不是整个文件。
    • 提供精细的锁定控制，有助于避免锁争用和提高并发性能。

3.3 系统 V 流机制

  • 定义：系统 V 流（Streams）机制是一种用于处理数据流的 I/O 模型，支持对数据流的过滤和转换。通过使用流，可以将数据通过多个处理模块进行处理，每个模块可以独立处理数据的某一部分。
  • 特点：
    • 提供了一种模块化的数据处理方式。
    • 常用于 Unix 系统中的管道和套接字编程中。

3.4 I/O 多路复用（I/O Multiplexing）

  • 定义：I/O 多路复用是指在单一线程中同时处理多个 I/O 流。它允许一个线程同时监控多个 I/O 通道（例如套接字），并在某些通道准备好进行读写操作时得到通知。
  • 实现方式：
    • select：监控多个文件描述符，检查哪些描述符已准备好进行读写。
    • poll：类似于 select，但可以处理更多的文件描述符。
    • epoll（Linux）：比 select 和 poll 更高效，适用于处理大量并发连接的场景。
    • kqueue（BSD）：与 epoll 类似，用于高效的事件通知。

3.5 readv 和 writev 函数

  • 定义：
    • readv：从文件描述符中读取数据到多个缓冲区。
    • writev：从多个缓冲区写入数据到文件描述符。
  • 特点：
    • 提高了 I/O 操作的效率，特别是对于需要处理多个缓冲区的数据时。
    • 允许在单一系统调用中处理多个缓冲区，减少了系统调用的开销。

3.6 存储映射 I/O（mmap）

  • 定义：mmap 是一种将文件内容映射到进程的虚拟内存地址空间的技术。通过 mmap，可以将文件或设备映射到内存中，然后通过内存访问文件内容，而不是通过传统的读写操作。
  • 特点：
    • 提高了文件 I/O 的效率，因为可以像访问内存一样访问文件内容。
    • 支持大文件的高效处理，并且可以用于实现进程间通信（IPC）。

4. 代码理解

非阻塞IO

fcntl()

fcntl用于对文件描述符进行各种操作，包括复制、关闭、获取/设置文件描述符标志以及对文件描述符的各种属性进行操作。

一般我们用fcntl有以下操作：

  • 复制描述符：可以通过 F_DUPFD 操作复制文件描述符。
  • 获取/设置文件描述符标志：可以通过 F_GETFL 和 F_SETFL 操作来获取和设置文件描述符的状态标志，如非阻塞标志等。
  • 获取/设置文件状态标志：可以通过 F_GETFD 和 F_SETFD 操作来 获取和设置
  • 获得/设置异步I/O所有权：通过F_GETOWN或F_SETOWN
  • 取消记录锁：可以通过 F_SETLK 操作取消记录锁。
  • 锁定文件：可以通过 F_SETLK 和 F_SETLKW 操作来对文件进行加锁，用于多进程/线程间对文件的访问控制。

下面我们利用fcntl写一个简单的代码例子（利用第三条：获取/设置文件状态标志）：

① SetNonBlock（设置进程非阻塞状态）

基于上面介绍的fcntl，我们来实现一个设置进程非阻塞的代码：

bool SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL); // 获取指定文件描述符 fd 的文件状态标志
    if(fl < 0) {
        return false;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 设置文件状态标志为非阻塞

    return true;
}

对代码进行解释：

  1. int fl = fcntl(fd, F_GETFL)：
    • 用于获取指定文件描述符 fd 的文件状态标志
    • F_GETFL 参数表示获取文件的状态标志；
  2. fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK) ：
    • 传入F_SETFL 参数，表示设置文件的状态标志
    • 通过将原来的文件状态标志 fl 与 O_NONBLOCK进行按位或 。O_NONBLOCK 是一个宏定义，用于表示将文件设置为非阻塞模式。

② 轮询方式读取标准输入

首先将标准输入设置为非阻塞，随后在循环内进行读取操作：

int main()
{
	SetNonBlock(0); // 将标准输入设置为非阻塞
    char buffer[1024];
	
	// 循环读取：
	// 在读取数据时，如果返回的字节数 s 大于0，表示成功读取了数据。然后将读取的数据输出到标准输出，并清空缓冲区。
	// 如果读取数据失败，则根据 errno 的值进行不同的处理。
    while(true)
    {
        sleep(1);
        errno = 0;
        // 非阻塞时，以出错形式返回，告知上层：数据未就绪
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 0: 标准输入
        if(s > 0) {
            buffer[s-1] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << " errno[---]" << errno << "errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        } else {
            // 若errno为11，意味着是底层数据未就绪，并非出错
            std::cout << "read \"error\" " << "errno: " << errno << "errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
   		}
    }
}

执行上面的代码，会发现错误码为11：意味着数据非就绪（非阻塞下），并非一种错误，只需要等待数据就绪。

在这里插入图片描述
随后可以完善代码：

int main()
{
	SetNonBlock(0); // 设置一次非阻塞
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        sleep(2);
        errno = 0;
        // 非阻塞时，以出错形式返回，告知上层：数据未就绪
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 0: 标准输入
        if(s > 0) {
            buffer[s-1] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << " errno[---]" << errno << " | errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        } else {
            // 若errno为11，意味着是底层数据未就绪，并非出错
            // std::cout << "read \"error\" " << "errno:" << errno << " | errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
            if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN) // 均为11
            {
                std::cout << "当前0号fd数据未就绪. try again!" << std::endl;
                continue;
            } 
            else if (errno == EINTR)
            {
                std::cout << "read被信号中断" << std::endl;
                continue;
            }
            else
            {
                // 错误处理
                std::cout << "read error" << std::endl;
            }
        }
    }
}

此时我们执行程序，当未输入数据时，进入的分支是errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN，一旦输入数据，可以正确读取

在这里插入图片描述

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