11. 五种 IO 模型与阻塞 IO
1. 五种IO模型
IO为什么比较慢？为什么访问外设会比较慢？
IO了，你想读，就一定有数据吗？-- IO = 等 + 拷贝，外设，让我们等的时间太久了
所以，什么叫做IO效率高？-- 单位时间内，传输的数据量越大，IO效率高（单位时间内，减少IO中，等待的比重）
1.0 整体理解
1.1 阻塞IO
• 阻塞 IO: 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式.
阻塞 IO 是最常见的 IO 模型.
1.2 非阻塞IO
• 非阻塞 IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回 EWOULDBLOCK 错误码
非阻塞 IO 往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对 CPU 来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用.
1.3 信号驱动IO
• 信号驱动 IO: 内核将数据准备好的时候, 使用 SIGIO 信号通知应用程序进行 IO 操作.
1.4 IO多路转接
• IO 多路转接: 虽然从流程图上看起来和阻塞 IO 类似. 实际上最核心在于 IO 多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.
1.5 异步IO
• 异步 IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).
总结：
任何 IO 过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间. 让 IO 更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少.
2. 高级IO重要概念
2.1 同步通信 vs 异步通信(synchronous communication/
asynchronous communication)
同步和异步关注的是消息通信机制
• 所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回.
但是一旦调用返回，就得到返回值了; 换句话说，就是由调用者主动等待这个调用
的结果; • 异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结
果; 换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果; 而是在调用
发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用. 另外, 在多进程多线程中，也提到同步和互斥. 这里的同步通信和进程之
间的同步是完全不相干的概念. • 进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系• 是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调
他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系. 尤其是在访问临界资源的时
候. 以后在看到 "同步" 这个词, 一定要先搞清楚大背景是什么. 这个同步, 是同步通
信异步通信的同步, 还是同步与互斥的同步
2.2 阻塞 vs 非阻塞
阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态. • 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结
果之后才会返回. • 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程.2.3 理解四者关系
2.4 其他高级IO
非阻塞 IO，纪录锁，系统 V 流机制，I/O 多路转接（也叫 I/O 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.
3. 非阻塞IO
3.1 fcntl
一个文件描述符, 默认都是阻塞 IO.
函数原型如下.
C
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );传入的 cmd 的值不同, 后面追加的参数也不相同.
fcntl 函数有 5 种功能:
• 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD).
• 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL).
• 获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN).
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW).
3.2 实现函数SetNoBlock
基于 fcntl, 实现一个 SetNoBlock 函数, 将文件描述符设置为非阻塞.
Cvoid SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}• 使用 F_GETFL 将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图).
• 然后再使用 F_SETFL 将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个
O_NONBLOCK 参数3.3 轮询方式读取标准输入
C
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
void SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}
int main() {SetNoBlock(0);while (1) {char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0) {perror("read");sleep(1);continue;}printf("input:%s\n", buf);}return 0;
}