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【Linux】五种IO模型 + 非阻塞IO

news 2025/10/15 7:07:09

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux五种IO模型 + 非阻塞IO：

五种IO模型
非阻塞IO
- fcntl
- 非阻塞轮询模版

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这里写目录标题

一，五种IO模型
二，非阻塞IO
- 1. fcntl
- 2. 非阻塞轮询模版

一，五种IO模型

IO = 等 + 拷贝
I/O 效率是 “减少等待” 和 “优化拷贝” 共同决定的。但在硬件相同，拷贝次数相同的场景下，减少等待时间是提高IO效率的关键。

阻塞IO：数据到来前，进程一直在read等，直到数据到来
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.
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。（属于同步IO，因为拷贝是自己完成的）
IO 多路转接：同时等待多个文件描述符的就绪状态。
异步 IO：由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序（异步IO不参与 等 + 拷贝的任意一个过程）

同步 vs 异步：

同步IO：参与等 or 拷贝中任意一个阶段（调用方需要主动等待结果就绪，或要亲自处理结果）。同步通信：参与调用 or 等待返回结果任意一个阶段，调用返回，结果跟着返回。
异步：不参与任意一个阶段（调用方无需等待结果，由 “第三方”等待结果并处理，处理完后再通知调用方“完成了”）。

二，非阻塞IO

1. fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞 IO。fcntl允许我们设置文件描述符的标记位，让我们可以把文件描述符设置成非阻塞IO
在这里插入图片描述

cmd：命令，它决定了 fcntl 函数要执行的操作类型。不同的 cmd 对应不同的功能，也对应不同的返回值例如（主要用到的）：
- F_GETFL：获取文件的状态标志（比如是否为非阻塞模式等）。
- F_SETFL：设置文件的状态标志。
... /* arg */：可变参数，根据 cmd 的不同，这个参数的意义和类型也不同。例如，当 cmd 是 F_SETFL 时，arg 用于传递要设置的标志。
- 标记有：O_APPEND，O_NONBLOCK…（本质是设置了特定比特位的宏）
- 一般我们可以先通过F_GETFL获取到原来的标志（返回值是一个位图），然后再F_SETFL上原来标志 | 新标志

2. 非阻塞轮询模版

以轮询方式读取标准输入为例（标准输入0，默认是非阻塞输入的）

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNoBlock(int fd)
{int fl = fcntl(0, F_GETFL);if(fl < 0){perror("fcntl error");return;}fcntl(0, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}
int main()
{SetNoBlock(0); // 设置非阻塞while(true){char buffer[1024] = {0};// 从键盘读取数据，不会阻塞读。// 读不到就返回: <0 认为："出错"。   // ==0是：写端已经关闭且无数据残留ssize_t read_size = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);if(read_size < 0){// 非阻塞无数据// 这两种"错误"代表暂无数据，重试可能成功// 两个错误码值相同，但是历史与系统的原因所以最好两个都判断if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {printf("数据暂未就绪...\n"); // 这才是无输入时的正确提示sleep(1);}// 真正的错误else{perror("read error"); // 其他错误（如文件描述符无效）}continue;}printf("input: %s", buffer);}return 0;}