高级IO

几种IO模型优缺点：

阻塞型：当资源临时不可获得时，调用者进程阻塞等待。节省系统资源，运行效率低。

非阻塞型（轮询）：当资源不可获得时，系统调用出错返回，影响浪费系统资源，运行效率高。

多路IO复用型：既节省系统资源，服务效率又高

异步IO:

                信号驱动IO：在不干扰主进程运行的情况下实现异步访问IO；

                异步IO：类似于信号驱动IO，依赖底层驱动。

信号驱动I/O和异步I/O的主要区别在于，信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，此时数据仍在内核空间。而异步I/O有内核通知我们IO操作何时完成，此时数据已经拷贝到了我们的用户空间。

上述五种不同I/O模型的比较：前四种I/O模型主要区别在于第一阶段，有的阻塞，有的不阻塞。第二阶段基本相同：在数据从内核空间拷贝到调用者的用户空间时，进程阻塞与读操作。而异步IO的两个阶段都没有阻塞，在数据拷贝完成后，才会让内核通知我们。

一、非阻塞IO

二、多路复用IO

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

功能：实现IO多路转接，先构造一张存有多个描述符的表，然后这个函数阻塞，并且指示内核等待当多个描述中的任意一个准备好时，该函数才返回。

参数：

nfds：要检查的描述符数量，其值为三个描述符表中最大描述符编号的值。然后再加1.

readfds：在调用函数以前，将此值设置为要让内核测试 读是否准备好的描述符集。当函数返回时，这个值已经改变，用于指示哪些描述符字已经准备好读。可以用FD_ISSET来测试。

writefds： 在调用函数以前，将此值设置为 要让内核测试 写是否准备好的描述符集。 当函数返回时，这个值已经改变，用于指示哪些描述符字已经准备好写。可以用FD_ISSET来测试。

 exceptfds ： 在调用函数以前，将此值设置为 要让内核测试异常条件的描述符集。 当函数返回时，这个值已经改变，用于指示哪些描述符字异常。可以用FD_ISSET来测试。

                    timeout：要等待的时间

                              struct    timeval

  {

                                    long  tv_sec;   表示要等待的秒数

                                    long  tv_usec;  表示要等待的微秒数

                                 } ; 

当timeout==NULL时，此函数永远等待，只有当指定描述符中的任意一个准备好或捕捉到一个信号时才返回。如果捕捉到一个信号。select返回-1

当timeout == 0时，完全不等待，立即返回。    

当timeout >0时，等待指定的秒数或微秒数。当指定时间已经超时时立即返回，如果超时时还没有一个描述符准备好，则返回值是0.

 

返回值：

• 返回值-1表示出错。例如在所指定的描述符都没有准备好时捕捉到了一个信号，此时出错返回-1，这种情况下，不修改其中任何描述符集。
• 返回值0表示所有描述符都没有准备好，而且已经超时。此时，所有描述符集都被清为0.
• 返回值正值表示已经准备好的描述符个数，是这三个描述符集中已准备好的描述符之和。

注：

• 有三个描述符集，readfds、writefds、exceptfds，每个描述符集存放在fd_set数据类型中，这种数据类型中的每一位对应一个描述符。所以内核每次检查对该类型中的每一位（也就是每个描述符）进行检查，来判断当前有没有准备好的描述符。所以nfds实质上就是定义了一个内核要检查的范围（也就是要检查的描述符数量）。因为描述符时从0开始，所以nfds为描述符表中的最大描述符编号加一。
• 描述符在什么条件下准备好

对于普通文件描述符基本不会阻塞，但涉及到进程间或网络间通信时，便会阻塞，这时必须引起对select返回“准备好”的条件说得明确些

            1、下列四个条件任何一个满足时，套接字准备好读：

                    a、可接收缓冲区的数据字节数大于0时，即有可读的数据时，将不阻塞。对于套接口而言，可以使用套接口选项SO_RCVLOWAT来设置一个低潮限度，当接收数据缓冲区的字节数大于等于此低潮限度时，套接口读操作将不阻塞并返回。

                    b、在面向连接的通信中，当连接到读端的写端关闭时，读操作将不阻塞且返回0. UDP不是面向连接的，所以不会返回。

                    c、当读操作出现错误时，这时读操作将不阻塞且返回错误。

                    d、调用accept，套接口是一个监听套接口且还有未完成的连接。

            2、下列三个条件任何一个满足时。套接口准备好写：

                    a、发送缓冲区仍有可用空间时，将不阻塞。 对于套接口而言，可以使用套接口选项SO_SNDLOWAT来设置一个低潮限度，当发送数据缓冲区的字节数小于等于此低潮限度时，套接口读操作将不阻塞并返回。实际上UDP套接口没有发送缓冲区，内核只是拷贝应用进程数据并将其向协议栈的下层传递。因此一个阻塞UDP套接口上的输出操作不会阻塞。

                    b、在面向连接的通信中，当连接到写端的读端关闭时，写操作将产生信号SIGPIPE，终止进程。

                    c、当写操作出现错误时，这时读操作将出错返回。

            3、如果一个套接口存在带外数据或者仍处于带外标记，那它有异常条件待 处理

            注意当一个套接口出错时，它被select标记为即可读又可写。

            通过调用以下四个宏函数来处理fd_set描述符集：

                  void FD_CLR(int fd, fd_set *set);         将描述符fd从描述符集中清除。若fd在描述符集中则返回非0值，否则返回0

                  void FD_SET(int fd, fd_set *set);           将描述符fd添加到描述符集中

                  int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);        测试描述符fd是否被置位

                   void FD_ZERO(fd_set *set);                 将描述符集清0

int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,const sigset_t *sigmask);

除以下几点外，此函数和select相同：

• select的超时用timeval结构指定，但pselect使用timespec结构，timespec结构以秒和纳秒表示超时，而非微妙和秒。
• pselect的超时声明为const，保证了调用pselect不会改变此值
• 对于pselect可使用信号屏蔽字，若sigmask为空，那么在信号有关方面，pselect的运行状况和select相同。否则，sigmask指向一个信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

功能：

实现IO多路转接, poll函数用于监测多个等待事件，若事件未发生，进程睡眠，放弃CPU控制权，若监测的任何一个事件发生，poll将唤醒睡眠的进程，并判断是什么等待事件发生，执行相应的操作。poll函数退出后，struct pollfd变量的所有值被清零，需要重新设置。

          参数：

                       fds： 指定了一个被监视的文件描述符，一般设置为一个结构体数组，指向结构体数组的第一个元素的指针。

                         struct  pollfd  {  

          int         fd ;           /* file descriptor */  描述符编号

          short     events ;   /* requested events to watch */  要关心的描述符状态,其值详细见下图。

                    short     revents ;   /* returned events witnessed */  返回时，内核设置revents，以说明描述符发生了什么

     }   ;

                      nfds：说明了结构体数组中的个数，即描述符个数。

                      timeout：

        当 timeout==-1 时，此函数永远等待，只有当指定描述符中的任意一个准备好或捕捉到一个信号时才返回。如果捕捉到一个信号。select返回-1

                  当timeout == 0时，完全不等待，立即返回。    

        当timeout >0时，等待指定的毫秒。当指定时间已经超时时立即返回，如果超时时还没有一个描述符准备好，则返回值是0.

返回值 ：

• 返回值-1表示出错。
• 返回值0表示所有描述符都没有准备好，而且已经超时。此时，所有描述符集都被清为0.
• 返回值正值表示已经准备好的描述符个数

  

注意，第三部分的三个常值在events中是不能设置的，但是当相应条件存在时就在revents中返回。

三、异步IO

使用异步I/O（SIGIO）需要进程执行以下三个步骤：

1、给SIGIO信号注册处理函数。

2、设置要接受SIGIO信号的进程ID或进程组ID。以命令F_SETOWN调用fcntl函数来设置进程或进程组ID。

3、激活套接口的信号驱动

注：

对于管道文件和普通文件等用OPEN打开的文件，当以只读方式打开时，对描述符执行写操作会引起SIGIO信号。当以只写方式打开时，对描述符执行读操作，会引起SIGIO信号。（读写操作必须已经完成，即数据已经全部被读取到内核空间或者从内核空间将数据全部取出，才会发生信号）

UDP套接口上的SIGIO信号，当下述事件发生时产生SIGIO信号：

• 数据包到达套接口
• 套接口上发生异步错误

TCP套接口上的SIGIO信号，当下述事件发生时产生SIGIO信号：

• 信号驱动对TCP套接口几乎时没用的，原因是该信号产生过于频繁，并且该信号并没有告诉我们发生了什么事件。下列条件均可在TCP套接口上产生SIGIO信号。
• 在监听套接口上有一个连接请求已经完成
• 发起来一个连接拆除请求
• 一个连接请求拆除请求已经完成
• 一个连接的一半已经关闭
• 数据到达了套接口
• 数据已从套接口上发出（即输出缓冲区有空闲空间）
• 发生了一个异步错误