五种 IO 模型和阻塞 IO

IO：Input 和 Output，即输入输出

1、五种 IO 模型

1.1、阻塞 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。

阻塞 IO 是最常见的 IO 模型。

---

1.2、非阻塞 IO

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。

---

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。

---

1.4、IO 多路转接

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。

---

1.5、异步 IO

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)。

---

1.6、总结

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。

---

2、高级 IO 概念

2.1、同步通信（synchronous communication）和异步通信（asynchronous communication）

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，所以没有返回结果。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。

这里要注意区分进程间的同步，这是两个不相干的概念。

• 进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系。
• 是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。尤其是在访问临界资源的时候。

---

2.2、阻塞 IO 和非阻塞 IO

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、其他高级 IO

非阻塞 IO，纪录锁，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。

我们此处重点讨论的是 I/O 多路转接。

---

4、非阻塞 IO

4.1、fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞 IO。

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。

---

4.2、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。

NoBlock.hpp文件：

#pragma once

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
void SetNonBlock(int fd)
{
   int f1 = ::fcntl(fd, F_GETFL); // 获取标记位
   if (f1 < 0)
       return;
   ::fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}

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

---

OKOK，五种IO模型和阻塞IO就到这里，如果你对Linux和C++也感兴趣的话，可以看看我的主页哦。下面是我的github主页，里面记录了我的学习代码和leetcode的一些题的题解，有兴趣的可以看看。

Xpccccc的github主页