linux 高级IO
1.非阻塞IO
阻塞读文件
当读某些文件时，如果文件没有数据，会导致读操作阻塞，如：
- 读鼠标/键盘等字符设备文件；
- 读管道文件（PIPE，FIFO）；
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1;
char buf[200];
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before 鼠标 read.\n");
read(fd, buf, 50);
printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);
// 读键盘
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before 键盘 read.\n");
read(0, buf, 5);
printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}
/*
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1;
char buf[200];
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before read.\n");
read(fd, buf, 50);
printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}
*/
/*
int main(void)
{
// 读取键盘
// 键盘就是标准输入，stdin
char buf[100];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before read.\n");
read(0, buf, 5);
printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}
*/ 问题：
1. 读普通文件会阻塞吗？
读普通文件不会阻塞，因为有数据就成功返回，没有数据就返回0，并不会阻塞；2. 写文件会阻塞吗？
写文件会阻塞，如写管道文件，会需要先从读端把管道文件读取出来。但是写普通文件是不会阻塞的。
阻塞读文件的意义
文件没有数据读取而阻塞，导致线程进入阻塞状态并不会占用CPU，节省CPU资源。当然特殊情况下，如果需要非阻塞读，OS也提供了非阻塞读文件的方式。
如何以非阻塞方式读文件
两种方式，本质都是添加O_NONBLOCK选项到文件状态标志：
1. open文件时指定O_NONBLOCK选项2. fcntl修改打开文件属性，指定O_NONBLOCK选项
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1;
int flag = -1;
char buf[200];
int ret = -1;
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
// 把0号文件描述符（stdin）变成非阻塞式的
flag = fcntl(0, F_GETFL); // 先获取原来的flag
flag |= O_NONBLOCK; // 添加非阻塞属性
fcntl(0, F_SETFL, flag); // 更新flag
// 这3步之后，0就变成了非阻塞式的了
while (1)
{
// 读鼠标
memset(buf, 0, sizeof(buf));
//printf("before 鼠标 read.\n");
ret = read(fd, buf, 50);
if (ret > 0)
{
printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
// 读键盘
memset(buf, 0, sizeof(buf));
//printf("before 键盘 read.\n");
ret = read(0, buf, 5);
if (ret > 0)
{
printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
}
return 0;
}
/*
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1;
char buf[200];
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before read.\n");
read(fd, buf, 50);
printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}
*/
/*
int main(void)
{
// 读取键盘
// 键盘就是标准输入，stdin
char buf[100];
int flag = -1;
// 把0号文件描述符（stdin）变成非阻塞式的
flag = fcntl(0, F_GETFL); // 先获取原来的flag
flag |= O_NONBLOCK; // 添加非阻塞属性
fcntl(0, F_SETFL, flag); // 更新flag
// 这3步之后，0就变成了非阻塞式的了
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before read.\n");
read(0, buf, 5);
printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}
*/ 2.IO多路复用（I/O multiplexing）
前面我们为了实现同时读键盘和鼠标，采用非阻塞或多进程来实现，但是这两种方法都有一定的缺陷，非阻塞会需要轮询，很消耗cpu资源，如果采用多进程时，进程之间切换也是很耗费资源的，并且当程之间需要相互共享资源的话，这就需要加入进程间通信机制，这就会使得我们的程序变得更加的复杂。
多路IO的优势
针对类似于同时读取鼠标/键盘数据的情况而言，
多进程
开销太大，不建议使用。非阻塞方式
需要搭配while循环不断轮询，耗费CPU资源，不建议使用。多线程
开销较低，常用方法多路IO
使用多路IO时，由于监听时如果没有动静（没有数据到来），监听线程休眠，开销也很低。
select和poll
多路IO两种实现方式：select, poll。select更常用。
select示例代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1, ret = -1;
char buf[200];
fd_set myset;
struct timeval tm;
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
// 当前有2个fd，一共是fd一个是0
// 处理myset
FD_ZERO(&myset);
FD_SET(fd, &myset);
FD_SET(0, &myset);
tm.tv_sec = 10;
tm.tv_usec = 0;
ret = select(fd+1, &myset, NULL, NULL, &tm);
if (ret < 0)
{
perror("select: ");
return -1;
}
else if (ret == 0)
{
printf("超时了\n");
}
else
{
// 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理之
if (FD_ISSET(0, &myset))
{
// 这里处理键盘
memset(buf, 0, sizeof(buf));
read(0, buf, 5);
printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
if (FD_ISSET(fd, &myset))
{
// 这里处理鼠标
memset(buf, 0, sizeof(buf));
read(fd, buf, 50);
printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
}
return 0;
}
poll示例代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
// 读取鼠标
int fd = -1, ret = -1;
char buf[200];
struct pollfd myfds[2] = {0};
fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
// 初始化我们的pollfd
myfds[0].fd = 0; // 键盘
myfds[0].events = POLLIN; // 等待读操作
myfds[1].fd = fd; // 鼠标
myfds[1].events = POLLIN; // 等待读操作
ret = poll(myfds, fd+1, 10000);
if (ret < 0)
{
perror("poll: ");
return -1;
}
else if (ret == 0)
{
printf("超时了\n");
}
else
{
// 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理之
if (myfds[0].events == myfds[0].revents)
{
// 这里处理键盘
memset(buf, 0, sizeof(buf));
read(0, buf, 5);
printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
if (myfds[1].events == myfds[1].revents)
{
// 这里处理鼠标
memset(buf, 0, sizeof(buf));
read(fd, buf, 50);
printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
}
return 0;
}
3.异步IO
所谓异步io就是，当某个事件准备好，进程会被发送一个SIGIO的异步信号，进程受到这个信号的通知后，会调用信号处理函数去处理事件，在事件没有准备好时，进程并不需要轮询事件或者阻塞等待事件，进程可以忙自己的事情直到等到别人发送异步信号SIGIO通知某事件发生。
所谓异步就是，进程接收异步信号的时机完全是随机的，这个时机完全取决于事件发生的时刻，接受信号的进程是没有办法预测的。
使用异步IO方式读取鼠标和键盘
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int mousefd = -1;
// 绑定到SIGIO信号，在函数内处理异步通知事件
void func(int sig)
{
char buf[200] = {0};
if (sig != SIGIO)
return;
read(mousefd, buf, 50);
printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
int main(void)
{
// 读取鼠标
char buf[200];
int flag = -1;
mousefd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);
if (mousefd < 0)
{
perror("open:");
return -1;
}
// 把鼠标的文件描述符设置为可以接受异步IO
flag = fcntl(mousefd, F_GETFL);
flag |= O_ASYNC;
fcntl(mousefd, F_SETFL, flag);
// 把异步IO事件的接收进程设置为当前进程
fcntl(mousefd, F_SETOWN, getpid());
// 注册当前进程的SIGIO信号捕获函数
signal(SIGIO, func);
// 读键盘
while (1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
//printf("before 键盘 read.\n");
read(0, buf, 5);
printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);
}
return 0;
} 4.存储映射IO
普通文件读写方式的缺陷
调用read/write对普通文件进行读写, 由于底层封装多层, 在面对频繁读写大量数据时, 效率低下. 这就引入了存储映射.
存储映射mmap
存储映射(memory map)简称mmap, 是直接将实际存储的物理地址映射到进程空间, 而不使用read/write 函数. 对普通文件存储, 是硬盘地址映射到进程空间. 这样, 省去中间繁杂调用过程, 快速对文件进行大量输入输出.
注意: 使用mmap时, open 不可省, read/write 可省.
存储映射 vs 共享内存
存储映射mmap原理类似于System V共享内存, 不过用途还是有区别:
共享内存
主要应用进程间通信, 2个进程的进程工具映射到同一段RAM区域, 从而进行通信.
共享内存映射到的物理地址是RAM地址.存储映射
mmap主要用于对文件进行大数据量的高效输入输出.
mmap 映射到的物理地址是硬盘地址.
mmap函数
原型：
#include
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
功能:
将文件所在的磁盘空间映射到进程空间.返回值:
调用成功, 则返回映射的起始虚拟地址; 失败则返回(void *)-1, errno设置.