Linux 下的IO模型

news2024/11/26 3:24:40

一：四种IO模

1.1：阻塞式IO（最简单，最常用，效率最低）

阻塞I/O 模式是最普遍使用的I/O 模式，大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O 。
缺省情况下（及系统默认状态），套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O 模式。
学习的读写函数在调用过程中会发生阻塞。相关函数如下：
•读操作中的read、recv、recvfrom
 读阻塞--》需要读缓冲区中有数据可读，读阻塞解除
•写操作中的write、send
写阻塞--》阻塞情况比较少，主要发生在写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下，写操作不进行任何拷贝工作，将发生阻塞，一旦缓冲区有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区拷贝到相应的发送数据缓冲区。 
注意：sendto没有写阻塞

1.2：非阻塞式IO（可以处理多路IO，需要轮询）

1.2.1：非阻塞式IO的设置
1）通过函数参数设置

Recv函数最后一个参数写为0，为阻塞，写为MSG_DONTWAIT：表示非阻塞

1.2.2：通过fctnl函数设置 
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
功能：获取/设置文件描述符属性    状态属性(O_RDONLY  O_NONBLOCK非阻塞)
参数：fd：文件描述符
      cmd：功能选择   
          状态属性： 
                  F_GETFL  ：获取文件描述符原来的属性
                  F_SETFL  ：设置文件描述符属性
    arg：根据cmd决定是否填充值   int
返回值：
     失败：-1
     成功：F_GETFL - 返回值的文件描述符号属性的值 int
           F_SETFL   0
  int flag;
    flag=fcntl(0,F_GETFL);//获取文件描述符原属性
    flag |= O_NONBLOCK;//添加非阻塞属性
     // flag &= ~O_NONBLOCK;//取消非阻塞属性
    fcntl(0,F_SETFL,flag);//将新属性设置回去

二：信号驱动IO（异步IO）

特点：异步通知模式，需要底层驱动的支持

//将APP进程号告诉驱动程序
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

//使能异步通知
int flag;
flag = fcntl(fd,F_GETFL);
flag|= O_ASYNC ;
fcntl(fd,F_SETFL,flag);

signal(SIGIO,handler)

例子：鼠标键盘事件：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int fd;
void handler(int num) // 信号处理
{
    char buf[128]={};
    int ret = read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
    buf[ret]='\0';
    printf("buf:%s\n",buf);
    
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 打开文件
    fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open err");
        return -1;
    }
    // 将进程号告诉驱动
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    // 开启异步通知
    int flag;
    flag = fcntl(fd,F_GETFL);
    flag |= O_ASYNC;
    fcntl(fd,F_SETFL,flag);
    // 收到信号，调用函数
    signal(SIGIO,handler);

    while (1)
    {
        printf("welcome to hqyj\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

三：IO多路复用

3.1：实现方式

3.1.1：select函数

 int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
   功能：select用于监测是哪个或哪些文件描述符产生事件;
   参数：nfds：    监测的最大文件描述个数
        （这里是个数，使用的时候注意，与文件中最后一次打开的文件
          描述符所对应的值的关系是什么？）
    readfds：  读事件集合; //读（用的多）
     writefds： 写事件集合;  //NULL表示不关心
     exceptfds：异常事件集合;  
     timeout：超时检测 
       如果不做超时检测：传 NULL 
       如果设置了超时检测时间：&tv
  返回值：
         <0 出错
        >0 表示有事件产生;
        ==0 表示超时时间已到;
  struct timeval {
               long    tv_sec;         /* seconds */
               long    tv_usec;        /* microseconds */
           };
           
 void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//将fd从表中清除
 int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在表中
 void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd添加到表中
 void FD_ZERO(fd_set *set);//清空表
3.1.2:实现流程

3.1.3：select并发式服务器的实现
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

char buf[1024] = {};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket create err\n");
        return -1;
    }
    // 填充结构体
    struct sockaddr_in addr, caddr;
    addr.sin_family = AF_INET;   // IPV4
    addr.sin_port = htons(8881); // 主机字节序转换为网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.31.88");
    int len = sizeof(caddr);
    // 绑定
    int ret;
    if (ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
    {
        perror("bind err\n");
        return -1;
    }
    // 监听
    if (listen(sockfd, 5) < 0)
    {
        perror("listen err\n");
        return -1;
    }
    // 创建表
    fd_set readfds, tempfd;
    FD_ZERO(&readfds);
    // 讲关心的文件描述符添加到表中
    FD_SET(0, &readfds);
    FD_SET(sockfd, &readfds);
    int maxfd = sockfd;
    while (1)
    {
        tempfd = readfds;
        int ret = select(maxfd + 1, &tempfd, NULL, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(0, &tempfd))
        {
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
                buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
            printf("key:%s\n", buf);
            // 下面的文件描述符发生变化时，需要将数组里存储的内容重新发送
            for (int i = sockfd + 1; i <= maxfd; i++)
            {
                // 判断其有没有在表中
                if (FD_ISSET(i, &readfds))
                {
                    send(i, buf, sizeof(buf), 0);
                }
            }
        }
        if (FD_ISSET(sockfd, &tempfd))
        {
            // 任何客户端都可以 ,返回通信文件描述符
            int acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, &len);
            if (acceptfd < 0)
            {
                perror("accept err\n");
                return -1;
            }
            // 来电显示
            printf("通信文件描述符：%d\t", acceptfd);
            printf("客户端端口：%d\t客户端ip:%s\n", ntohs(addr.sin_port), inet_ntoa(addr.sin_addr));
            // close(acceptfd);
            // 重新创表
            FD_SET(acceptfd, &readfds);
            // 更新文件描述符
            if (maxfd < acceptfd)
            {
                maxfd = acceptfd;
            }
        }
        for (int i = 4; i <= maxfd; i++)
        {
            if (FD_ISSET(i, &tempfd))
            {
                int rec = recv(i, buf, sizeof(buf), 0);
                if (rec < 0)
                {
                    perror("recv err\n");
                    return -1;
                }
                else if (rec == 0)
                {
                    printf("i==客户端退出:%d\n", i);
                    // break;
                    // 链接关闭之后，关闭其所在的文件描述符，用时
                    close(i);
                    FD_CLR(i, &readfds);
                    if (i == maxfd)
                    {
                        maxfd--;
                    }
                    exit(1);
                }
                else
                {
                    printf("%s\n", buf);
                    memset(buf, 0, sizeof(buf));
                }
            }
        }
    }
    // 关闭文件描述符
    close(sockfd);
    return 0;
}

select实现io多路复用的特点：

  1. 一个进程最多只能监听1024个文件描述符 （千级别）FD_SETFILE
  2. select被唤醒之后需要重新轮询一遍驱动的poll函数，效率比较低（消耗CPU资源）;
  3. select每次会清空表，每次都需要拷贝用户空间的表到内核空间，效率低

 

3.2：poll函数

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
   参数：
   struct pollfd *fds
     关心的文件描述符数组struct pollfd fds[N];
   nfds:个数
   timeout： 超时检测
    毫秒级的：如果填1000，1秒
     如果-1，阻塞

 struct pollfd {
     int   fd;         /* 检测的文件描述符 */
     short events;     /* 检测事件 */
     short revents;    /* 调用poll函数返回填充的事件，poll函数一旦返回，将对应事件自动填充结构体这个成员。只需要判断这个成员的值就可以确定是否产生事件 */
 };
 事件：     POLLIN ：读事件
           POLLOUT : 写事件
           POLLERR：异常事件

3.2.1：poll函数与select函数的区别

流程

select

poll

1.建立一个文件描述符的表

fd_set线性表

struct pollfd fds[n]结构体数组

2.将关心的文件描述符加到表中

FD_SET(fd,&readfds)

结构体内容填充fds[m].fd= fd

fds[m].events=POLLIN

3. 然后调用一个函数。 select / poll

4. 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O操作的时候

该函数才返回(阻塞)。

select

poll

5.判断

FD_ISSET

revents==POLLIN

6.相关操作

 3.2.2：函数实现
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>

char buf[1024] = {};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open faild\n");
        return -1;
    }
    // 创建结构体数组
    struct pollfd fds[1024] = {};
    // 添加文件描述符
    fds[0].fd = 0;
    fds[0].events = POLLIN;

    fds[1].fd = fd;
    fds[1].events = POLLIN;

    int last = 1;
    
    while (1)
    {
        poll(fds,last+1, -1);
        for (int i = 0; i <= last; i++)
        {
            if (fds[i].revents == POLLIN)
            {
                if (fds[i].fd == 0)
                {
                    // scanf("%s", buf);
                    fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
                    if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
                    {
                        buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
                    }

                    printf("。。。。。。：%s\n", buf);
                }
                if (fds[i].fd == fd)
                {
                    read(fd, buf, sizeof(buf));
                    printf(".......:%s\n", buf);
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

3.2.3：特点

 优化文件描述符个数的限制;(根据poll函数第一个参数来定，如果监听的事件为1个，则结构体数组元素个数为1，如果想监听100个，那么这个结构体数组的元素个数就为100，由程序员自己来决定)

poll被唤醒之后需要重新轮询一遍驱动的poll函数，效率比较低

poll不需要重新构造文件描述符表，只需要从用户空间向内核空间拷贝一次数据即可

3.3：epoll函数 

特点：

  1. 监听的最大的文件描述符没有个数限制（理论上，取决与你自己的系统）
  2. 异步I/O，Epoll当有事件产生被唤醒之后，文件描述符主动调用callback(回调函数)函数直接拿到唤醒的文件描述符，不需要轮询，效率高
  3. epoll不需要重新构造文件描述符表，只需要从用户空间向内核空间拷贝一次数据即可.

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