Linux高级IO

目录

背景

什么是IO？

什么是高级IO？

 OS如何得知外设当中有数据可读取？

 OS如何处理从网卡中读取到的数据包？

五种IO模型 

概念区分 

消息通信机制

同步通信 与 同步与互斥

---

背景

什么是IO？

        即input/output，在冯若依曼体系中，将数据从输入设备拷贝到内存中就叫做input，从内存拷贝到输出设备就叫output，但是数据未必是就绪的，需要等待数据就绪才能拷贝，所以IO=等待数据就绪+拷贝，基于不同的等待和拷贝策略，就产生了不同IO方式，那什么是高效的IO？显然等待时间越少IO效率越高。

什么是高级IO？

        在Linux下高级I/O（Advanced IO）指的是一组函数，这些函数提供了比标准I/O更高级别的输入输出操作。高级I/O具有更好的性能和更多的灵活性，之所以高级，体现在：

1. 提供更好的性能：在处理大量数据时，高级I/O明显优于标准I/O，因为高级I/O以异步和非阻塞方式进行I/O操作。

2. 更精细的控制：高级I/O可以进行更细致的I/O控制，例如读写过程中的超时控制以及对文件的锁定等。

3. 更好的可移植性：与标准I/O函数库不同，高级I/O函数库可移植性较强，因为其API是Unix操作系统遵循POSIX标准化的结果之一。

更好的可移植性？

        高级IO通常是基于操作系统提供的低级IO接口实现的，但其在使用时不需要考虑底层细节，而是更关注于提供方便、易用的API，并隐藏了与底层IO接口相关的差异。因此，高级IO的可移植性更强，能够在不同的操作系统上使用相同的API进行IO操作而不需要修改代码，从而提高了代码的可维护性和复用性。另外，高级IO还可以比底层IO提供更丰富的选项和功能，例如缓存、编码转换、流控制等。 

 注意：高级 IO 并不一定意味着高效的 IO 方式。虽然高级 IO 接口通常具有更高层次的抽象和更方便的 API，但它们可能在底层使用的仍然是相同的系统调用。因此，在某些情况下，与低级 IO 相比，高级 IO 的性能可能会更低。

 OS如何得知外设当中有数据可读取？

        当外设（例如键盘或鼠标）有数据可读取时，它们会触发一个中断信号，通知操作系统有数据可用。当CPU收到某个中断信号时就会自动停止正在运行的程序，根据不同中断信号在中断向量表对应不同的中断处理程序，去处理中断处理程序，处理完毕后再返回原被暂停的程序继续运行。

一旦中断处理程序检测到有可读数据，它会向操作系统的输入缓冲区添加该数据。然后，应用程序可以通过系统调用从缓冲区读取数据。

需要注意的是，不同的外设使用不同的协议来通知操作系统有数据可用。因此，操作系统必须了解各种协议以正确处理输入。

中断向量表

        中断向量表是一个特殊的数据表，用于存储中断处理程序的入口地址。当计算机系统出现中断事件时，例如硬件错误、输入/输出请求等，CPU需要停止正在执行的任务，并跳转到对应的中断处理程序去执行。而中断向量表就记录了每种类型中断所对应的处理程序入口地址，这样 CPU 就可以根据中断类型查找对应的入口地址，在接下来的处理中将控制权转移给相关的中断处理程序。

 OS如何处理从网卡中读取到的数据包？

        答案是：自底向上。具体而言：当网络接口收到一个数据包时，它会将该数据包传输到与之关联的缓冲区中。接着，操作系统内核会从缓冲区读取数据包，并在协议栈中进行处理。操作系统内核会根据数据包中的目标 MAC 地址来确定它是否是本地主机的数据包。如果是，则传输到上层协议进行进一步处理；否则，将其转发到合适的下一个路由器或主机。在协议栈中，数据包经历了多个协议处理层，包括物理层，数据链路层，网络层和传输层，在每个层次上进行相应的处理，例如解封装、路由选择、重组/分段并报告错误等等。最后，数据包会被传输到应用层进行处理。

五种IO模型 

阻塞式IO

套接字的默认方式，内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待

比如调用recvfrom等待数据就绪，进程或线程会阻塞，当数据就绪后将数据从内核拷贝到用户空间，函数才返回

图示：

在recvfrom等待数据就绪期间，在用户看来该进程或线程阻塞住了，本质就是操作系统将该进程或线程的状态设置为非R状态，然后将其放入等待队列中，当数据就绪后操作系统再将其从等待队列中唤醒。

代码示例：

#include    
#include    
#include    
#include    
using namespace std;    
int main()    
{    
  char buffer[1024];    
  while(1)    
  {    
    ssize_t s=read(0,buffer,sizeof buffer-1);    
    if(s<0)                                                                                                                                      
    {    
      cerr<<"read error:"<

输出： 

非阻塞式IO

非阻塞式IO就是内核数据没有就绪，系统调用仍直接返回，将错误码设置为EWOULDBLOCK，进程或线程不会阻塞等待。

图示：

轮询：后续的检测动作由用户发起，需要程序员以非阻塞循环的方式反复尝试读取文件描述符，这个过程称为轮询。

打开文件的时候默认都是阻塞方式，要以非阻塞方式打开就要在open函数打开文件的时候携带O_NONBLOCK或O_NODELAY。倘若是已经打开的文件，要将其设置为非阻塞就可以使用fcntl函数。

 fcntl函数原型：

函数参数：fd，cmd（需要进行的操作）

fd：打开的文件描述符

cmd：进行的操作

可变参数：根据不同的cmd，后面的参数不同

调用失败的时候函数返回-1，错误码会被设置

使用方法（比如将文件描述符设置为非阻塞）：

        先调用一次获取文件描述符对应的状态（位图），传入F_GETFL，再次调用将文件状态标记上添加（或上）非阻塞标记O_NONBLOCK，此时传入的cmd值为F_SETFL。

代码示例：

#include                                                                                                                               
#include
#include
#include                               
using namespace std;
void setNonblock(int fd)
{                                                                  
  int fl=fcntl(fd,F_GETFL);
  if(fl<0)                                                  
  {                  
    cerr<<"fcntl error:"<

输出： 

信号驱动式IO

信号驱动式IO：当内核数据准备好，使用SIGIO信号通知应用程序

图示：

 

用signal或sigaction将信号处理方法自定义为IO操作

信号的产生是异步的，但是属于同步IO，因为进程或线程需要参与IO过程

IO多路复用（多路转接）

思想：一次等待多个文件描述符就绪，将等待的时间重叠

recvfrom也有等的能力，但这些接口一次只能等待一个文件描述符上的数据或空间就绪，IO效率低，系统为我们提供了三组接口（select，poll，epoll），可以将所有等的工作交给它们，一次等待多个文件描述符，将等待的时间重叠，从而提高效率。

如图： 

异步IO

异步IO就是由内核在数据拷贝完成的时候，再通知应用程序。

在内核完成数据拷贝时才通知用户，也就是说用户既不等待也不进行拷贝，没有参与IO，所以被称为异步IO，用户要做的只有发起IO，等待和拷贝都交给了操作系统，用户得知结果即可。

如图： 

注意：调用异步IO接口的时候会立马返回，用户需要传递缓冲区和回调函数。

概念区分 

消息通信机制

同步通信

发出调用，没得到结果前不返回，调用返回就得到返回值，调用者主动等待这个结果

非阻塞IO没有得到结果也会返回，但后续需要轮询，理解为未返回

异步通信

调用发出就返回，没有返回结果，当异步过程调用发出，调用者不会立即得到结果，被调用者通过状态，通知调用者或回调函数处理这个结果

同步通信 与 同步与互斥

两个同步是不同的意义：

同步通信：指的是没有结果之前调用不返回，同步IO指的是进程/线程与OS之间的关系，谈论的是进程/线程是否需要主动参与IO过程。

进程/线程同步：指的是在保证数据安全的情况下让进程、线程按某种特定的顺序访问临界资源。