Linux下的阻塞与非阻塞模式详解

在Linux系统中，阻塞与非阻塞模式是处理I/O操作时的重要概念，尤其在串口通信和终端操作中。本文将详细探讨阻塞与非阻塞模式的概念、Linux下使用 read和 write函数操作标准输入输出设备的方法、如何通过 open设置阻塞属性，以及在非阻塞模式下使用 read和 write操作终端等内容。

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一、引言

在现代计算机系统中，I/O操作是程序运行中不可或缺的一部分。无论是从标准输入读取用户输入，还是通过网络套接字传输数据，I/O操作的效率和响应时间对程序的整体性能有着重要影响。阻塞与非阻塞模式作为I/O操作的两种基本处理方式，直接影响着程序的运行效率和用户体验。

本文将深入探讨Linux系统中阻塞与非阻塞模式的概念、实现方法以及实际应用，帮助开发者在实际开发中做出合理的选择，以提升程序的性能和响应能力。

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二、阻塞与非阻塞模式的概念

阻塞与非阻塞模式主要用于描述I/O操作的处理方式：

1. 阻塞模式（Blocking Mode）
   在阻塞模式下，read函数会一直等待，直到有数据到达或满足特定条件（如超时）才会返回。如果没有任何数据到达，read会阻塞程序，直到有数据为止【1†source】【4†source】。

2. 非阻塞模式（Non-Blocking Mode）
   在非阻塞模式下，read函数不会等待数据到达，而是立即返回。如果此时没有数据，read会返回0字节，并继续执行后续代码【4†source】【5†source】。

这种模式的选择对程序的性能和响应时间有重要影响。例如，在实时系统中，非阻塞模式可以避免程序因等待I/O操作而卡死。

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三、Linux下使用read和write函数操作标准输入输出设备

在Linux中，标准输入输出设备（如终端/dev/tty）默认是阻塞模式。read和write函数用于从终端读取或写入数据：

在阻塞模式下，read函数会一直等待，直到有数据到达才会返回。write函数则通常不会阻塞，因为它只是将数据写入缓冲区。但在某些特殊情况下（如网络套接字），write可能会阻塞，直到数据被传输完毕。

示例代码：阻塞模式下的read和write

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char buffer[100];ssize_t bytes_read;printf("请输入一些文字（按回车键确认）：\n");// 读取输入数据，阻塞模式下会等待用户输入bytes_read = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));if (bytes_read > 0) {// 写入输出数据，将读取到的内容写回终端write(STDOUT_FILENO, "你输入的内容是：", 16);write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);}return 0;
}

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四、使用预定义文件描述符

在Linux系统中，文件描述符0、1和2分别对应标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误(stderr)。这些文件描述符在程序启动时就已经打开，无需调用open函数【5†source】【6†source】【9†source】。

1. 直接使用预定义文件描述符

无需调用open函数，可以直接使用预定义的文件描述符进行读写操作。例如：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char buffer[100];ssize_t bytes_read;// 读取标准输入printf("请输入一些文字：");bytes_read = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));if (bytes_read > 0) {// 写入标准输出write(STDOUT_FILENO, "你输入的内容是：", 16);write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);}return 0;
}

2. 设置非阻塞模式

如果需要，可以通过fcntl函数将文件描述符设置为非阻塞模式：

#include <fcntl.h>int main() {char buffer[100];ssize_t bytes_read;// 设置标准输入为非阻塞模式int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);flags |= O_NONBLOCK;fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags);while (1) {bytes_read = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));if (bytes_read > 0) {write(STDOUT_FILENO, "你输入的内容是：", 16);write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);}sleep(1); // 模拟其他任务}return 0;
}

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五、设置阻塞属性

1. 通过open函数设置阻塞属性

在Linux中，可以通过open函数打开设备文件时设置阻塞属性。例如：

int fd = open("/dev/tty", O_RDWR | O_NONBLOCK);

2. 通过fcntl函数设置阻塞属性

如果设备文件已经打开，可以使用fcntl函数动态修改阻塞属性：

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);

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六、Linux上具有阻塞属性的文件

在Linux系统中，以下文件通常具有阻塞属性：

1. 终端设备文件
   如/dev/tty、/dev/pts/0等，这些文件默认以阻塞模式打开【5†source】【6†source】。

2. 串口设备文件
   如/dev/ttyUSB0（USB转串口设备），这些文件在默认情况下也是阻塞模式【8†source】。

3. 网络套接字
   网络套接字默认是阻塞模式，但在某些情况下（如服务器程序）需要设置为非阻塞模式以提高性能【4†source】。

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七、总结

阻塞与非阻塞模式是Linux系统中处理I/O操作的重要概念。阻塞模式适用于需要等待数据到达的场景，而非阻塞模式适用于需要同时处理多个任务的场景。通过合理设置阻塞属性，可以显著提高程序的性能和响应能力。

在实际开发中，可以根据具体需求选择合适的模式。例如，在串口通信中，非阻塞模式可以避免程序因等待数据而卡死；而在标准输入输出中，阻塞模式可以确保程序按预期等待用户输入。

希望本文对您理解Linux下的阻塞与非阻塞模式有所帮助！