Linux系统--五种IO模型

news2024/9/27 5:44:20

1、简介

Linux IO 模型根据实现的功能可以划分为为阻塞 IO、非阻塞 IO、信号驱动 IO， IO 多路复用和异
步 IO。根据等待 IO 的执行结果进行划分，前四个 IO 模型又被称为同步 IO，如下图：
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2、详细介绍

2.1 阻塞IO

在阻塞IO模型中，调用read或write时，如果没有数据可读或写，进程会被挂起，直到数据可用。这是最简单的IO模型。以阻塞读为例：进程进行 IO 操作时(如 read 操作)，首先会发起一个系统调用，从而转到内核空间进行处理，内核空间的数据没有准备就绪时，进程会被阻塞，不会继续向下执行，直到内核空间的数据准备完成后，数据才会从内核空间拷贝到用户空间，最后返回用户进程，由用户空间进行数据的处理，如下图所示：
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示例代码如下：

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

int main() {
    char buffer[100];
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    
    // 阻塞调用
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read < 0) {
        perror("read error");
    } else {
        printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

2.2 非阻塞IO

在非阻塞IO模型中，调用read或write时，如果没有数据可读或写，返回-1，errno设置为EAGAIN。进程不会被挂起。和阻塞 IO 模型不同，非阻塞 IO 进行 IO 操作时，如果内核数据没有准备好，内核会立即向进程返回 err，不会进行阻塞；如果内核空间数据准备就绪，内核会立即把数据返回给用户空间的进程，如下图所示：
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示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main() {
    char buffer[100];
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    
    // 非阻塞调用
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read < 0) {
        if (errno == EAGAIN) {
            printf("No data available\n");
        } else {
            perror("read error");
        }
    } else {
        printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

2.3 IO复用

通常情况下使用 select()、 poll()、epoll()函数实现 IO 多路复用。这里以 select 函数为例进行讲解，使用时可以对 select 传入多个描述符，并设置超时时间。当执行 select 的时候，系统会发起一个系统调用，内核会遍历检查传入的描述符是否有事件发生（如可读、可写事件）。如有，立即返回，否则进入睡眠状态，使进程进入阻塞状态，直到任何一个描述符事件产生后（或者等待超时）立刻返回。此时用户空间需要对全部描述符进行遍历，以确认具体是哪个发生了事件，这样就能使用一个进程对多个 IO 进行管理，如下图所示：
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示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>

int main() {
    int fd1 = open("file1.txt", O_RDONLY);
    int fd2 = open("file2.txt", O_RDONLY);
    
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fd1, &readfds);
    FD_SET(fd2, &readfds);

    // 等待文件描述符就绪
    int max_fd = (fd1 > fd2) ? fd1 : fd2;
    int retval = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

    if (retval == -1) {
        perror("select error");
    } else if (retval) {
        if (FD_ISSET(fd1, &readfds)) {
            printf("file1.txt is ready for reading\n");
        }
        if (FD_ISSET(fd2, &readfds)) {
            printf("file2.txt is ready for reading\n");
        }
    } else {
        printf("No file descriptors are ready\n");
    }

    close(fd1);
    close(fd2);
    return 0;
}

2.4 信号驱动IO

信号驱动 IO 顾名思义与信号相关。系统在一些事件发生之后，会对进程发出特定的信号，而信号与处理函数相绑定，当信号产生时就会调用绑定的处理函数。例如在 Linux 系统任务执行的过程中可以按下 ctrl+C 来对任务进行终止，系统实际上是对该进程发送一个 SIGINT 信号，该信号的默认处理函数就是退出当前程序。具体到 IO 模型上，可以对 SIGIO 信号注册相应的信号处理函数，并打开对应描述符的信号驱动。每当有 IO 数据产生时，系统就会发送一个 SIGIO 信号，进而调用相应的信号处理函数，从而在这个处理函数中对数据进行读取，如下图所示：
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示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>

void handler(int sig) {
    printf("Data is available to read!\n");
}

int main() {
    signal(SIGIO, handler);
    
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    fcntl(fd, F_SETFL, O_ASYNC); // 设置异步IO
    
    // 允许进程接收SIGIO信号
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

    // 主循环，保持进程运行
    while (1) {
        pause(); // 等待信号
    }

    close(fd);
    return 0;
}

2.5 异步IO

在异步IO模型中，进程提交IO请求后可以继续执行，IO操作在后台完成，完成后操作系统会通知进程。aio_read 函数常常用于异步 IO，当进程使用 aio_read 读取数据时，如果数据尚未准备就绪就立即返回，不会阻塞。若数据准备就绪就会把数据从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区中，然后执行定义好的回调函数对接收到的数据进行处理。
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示例代码：

#include <stdio.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main() {
    struct aiocb cb;
    char buffer[100];
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY);

    memset(&cb, 0, sizeof(struct aiocb));
    cb.aio_fildes = fd;
    cb.aio_buf = buffer;
    cb.aio_nbytes = sizeof(buffer);

    // 提交异步读取
    if (aio_read(&cb) == -1) {
        perror("aio_read error");
    }

    // 检查IO是否完成
    while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS) {
        // 可以执行其他操作
        printf("Doing other work...\n");
        sleep(1);
    }

    // 获取结果
    ssize_t bytes_read = aio_return(&cb);
    printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer);

    close(fd);
    return 0;
}