高效IO——五种IO模型概念和非阻塞IO

目录

前言：

一.五种IO模型

二.同步通信和异步通信对比

三.阻塞和非阻塞

四.其它高级IO

        4.1 非阻塞IO

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前言：

        内存于外设进行数据交互叫做IO。

        IO的过程中主要由两个动作，一个是等待，一个是拷贝。

比如：

        读IO，就是在等待可以读数据的条件，条件成立将数据从内核空间拷贝到用户空间。

        写IO，就是在等待可以写数据的条件，条件成立将数据从用户空间拷贝到内核空间。

        高效IO的本质是：单位时间内，尽可能的减少等待的比重。

一.五种IO模型

• 阻塞IO：在内核数据准备好之前，系统调用会一直等待。

        所有套接字，默认方式都是等待。阻塞IO是最常见的IO模型。

• 非阻塞IO：如果内核还未将数据准备好，系统调用仍会直接放回，并且返回WOULDBLOCK错误码。

        非阻塞IO需要程序员编码时，以循环的方式反复去尝试读写文件描述符，这个过程叫轮询。这对CPU来说是一种较大的浪费，一般只有在特定的情况下才使用。

• 信号驱动IO：内核将数据准备好之后，使用SIGIO信号，通知进程进行IO操作。

        SIGIO信号：文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作，默认捕捉动作是忽略。我们可以自定义捕捉动作为recvfrom或者sendto。当信号到来时，就可以将数据从内核拷贝到用户，或者从用户拷贝到内核。   

        注意：数据拷贝的过程还是需要进程来做。

• IO多路转接：通过系统调用，可以同时等待多个文件描述符的就绪状态。至少一个就绪，就可以进行读和写了。

        通过调用select/pol/epoll可以实现同一时刻等待多个文件描述符的就绪状态。

select/pol/epoll也是负责等待，那为什么效率提高了呢？

        因为同一时间等待多个文件，文件就绪的概率增加了，等待的时间就减少了。

        当等待完毕后，调用read或者write进行IO就不需要等待了。

• 异步IO：由内核在数据拷贝完成时，通知进程，使用数据。

        不需要进程等待和将数据空内核空间拷贝到用户空间，这些动作都是内核做的，当内核拷贝完成后，通知进程来使用数据即可。

        这个和信号驱动IO不同，信号驱动IO，进程需要自己将数据从内核拷贝到用户。

总结：

前四种IO归类为同步IO，最后一个归类为异步IO。

任何IO过程中，都包含两个动作，一个是等待，另外一个是拷贝，在实际生活中，等待消耗的时间远远大于拷贝的时间。让IO高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量少。

二.同步通信和异步通信对比

        同步通信和异步通信关注的是消息通信机制。

• 同步通信：就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用不会返回。一旦返回就得到返回值。调用者主动等待这个调用的结果。需要调用者自己参与。
• 异步通信：调用在发出后，调用直接返回，没有返回结果。而被调用者通过状态，通知来通知调用者，或者通过回调函数处理这个调用。不需要调用者自己参与。

        拿上面的信号驱动IO举例，信号驱动IO的情况很像异步IO，但是，信号通信IO最后还需要调用者对数据进行拷贝，所以属于同步IO。

        在多线程和多进程中，也有同步和互斥的概念。和这里是完全不相同的。

• 进程或线程的同步，是进程和线程之间的一种制约关系。
• 多线程之间的同步，是让多个线程之间，可以按照一定次序运行。使得条件不满足时等待，满足时，可以立马执行。调高效率。

三.阻塞和非阻塞

        阻塞和非阻塞，是指条件不满足时，等待方式的不同。

• 阻塞：在调用结果返回前，当前进程会被挂起等待，进程被放入等待队列，状态设为非R。调用线程只有在得到结果后才返回。
• 非阻塞：在不能得到结果之前，当前线程不会被挂起等待，而是会直接返回。

四.其它高级IO

        非阻塞IO，记录锁，系统V流机制，IO多路转接(IO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。

        下面介绍两种IO，非阻塞IO和IO多路转接

        4.1 非阻塞IO

        一个文件描述符，默认情况下都是阻塞IO。调用fcntl函数可以改变文件描述符为非阻塞IO。

#include
#include

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数	作用
fd	打开的文件描述符
cmd	具体操作
...	可变参数

fcntl函数的功能：

• 复制一个现有的描述符，对应cmd = F_DUPFD
• 获得/设置文件描述符标记，对应cmd = F_GETFD / F_SETFD
• 获得/设置文件状态标记，对应cmd = F_GETFL / F_SETFL
• 获得/设置异步IO所有权，对应cmd = F_GETOWN / F_SETOWN
• 获得/设置记录锁，对应cmd = F_GETLK / F_SETLK或F_SETLKW

我们可以使用第三个功能，获得/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。

使用如下：

void SetNoBlack(int fd){
  //获得文件状态
  int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
  if(fl < 0){
    perror("fcntl error\n");
    return;
  }
  //设置文件状态
  fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

}

• 使用F_GETFL将当前的文件描述符属性取出来，是一个位图。
• 然后使用F_SETFL将文件描述符设置回去，设置回去的同时加上 O_NONBLOCK参数。

轮询方式读取标准输入：

        轮询方式读取：read当读条件不满足是，实际是阻塞的。当设置为非阻塞后，不断循环调用read，就是在轮询检测read条件是否满足。

        说明：read非阻塞状态下，当返回值为小于0时，说明是读的条件不满足，而不是read调用失败。当读条件不满足时，不仅read的返回值回小于0，还会将全局变量错误码errno设置为EAGAIN(一个宏，值为11)。

#include 
#include 
#include 
#include 

void SetNoBlack(int fd){
  //获得文件状态
  int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
  if(fl < 0){
    perror("fcntl error\n");
    return;
  }
  //设置文件状态
  fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

}

int main(){
  //将标准输入设置为非阻塞
  SetNoBlack(0);
  char c = 0;
  //轮询检测read
  while(1){
    sleep(1);
    //printf("begin to read\n");
    ssize_t n = read(0, &c, 1);
    if(n > 0){
      printf("%c\n",c);
    }
    //并不是read错误，而是read的条件不满足
    else if(n < 0 && errno == EAGAIN){
      printf("read cond is not met....\n");
    }
    else{
      perror("read error\n");
    }
    printf("------------------\n");

  }


  return 0;
}

为了看起来方便，我将多路转接IO写在了另外一篇博客。

高效IO——IO多路转接select

高效IO——多路转接之poll

高效IO——多路转接epoll