【Linux】C语言系统函数实现阻塞和非阻塞读取终端

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原创 2024-06-17 22:44:50 1.8k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Linux环境下使用fcntl实现C语言非阻塞输入 Linux环境下使用fcntl实现C语言非阻塞输入在使用C语言编程时，常常会用到scanf()、getchar()等函数来获取键盘的输入，当键盘没有输入时程序会发生阻塞并一直保持在阻塞状态，此时如果想要继续执行下一步的程序，就需要将IO状态置为非阻塞，以确保无用户输入的情况下程序的正常执行。 fcntl是Linux中的函数，用来改变已打开文件的性质，其定义为int fcntl(int fd, int cmd);，其中参数fd表示欲设置的文件描述符，参数cmd代表将要执行的操作，如果该操作需要键入参数，fc 阅读详情

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从常规文件读取不会阻塞；无论读取多少数据，read 函数都会在有限的时间内返回。

从终端设备或网络读取可能会阻塞。例如，如果从终端输入的数据缺少换行符，则调用终端设备的 read 函数会阻塞。如果网络上没有接收到数据包，则调用网络的 read 函数会阻塞。至于阻塞的持续时间是不确定的。如果没有数据到达，进程将会无限期地保持阻塞状态。

“阻塞”：当进程调用一个阻塞的系统函数时，它会进入睡眠（sleep）状态，此时内核会调度其他进程运行，直到等待的事件发生（比如在网络上收到数据包，或者等待指定的sleep睡眠时间结束），进程才会继续执行。睡眠状态的相对状态是运行（Running）状态。在 Linux 内核中，运行状态的进程分为两种情况：

主动调度执行：CPU 正在执行进程的指令，读写其地址空间，并在通用寄存器中保存中间结果。
就绪状态：进程随时可以执行，但当前 CPU 正在执行另一个进程。因此，进程在就绪队列中等待内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进程。内核的调度算法基于优先级和时间片，动态调整每个进程的优先级和时间片，以确保公平执行，并响应用户交互。

下面我们将用read，write，fcntl函数实现阻塞和非阻塞读取终端

read

1、功能：
read 函数用于从已打开的设备或文件中读取数据。

2、头文件：
read 函数的声明位于 <unistd.h> 头文件中。

3、函数定义：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

这是 read 函数的函数原型，它接受三个参数：文件描述符 fd、存储读取数据的缓冲区地址 buf 和要读取的字节数 count。

4、返回值：
read 函数的返回值是 ssize_t 类型，表示成功读取的字节数。如果出错，则返回 -1，并设置全局变量 errno 指示错误类型。如果在调用 read 前已经到达文件末尾，则返回 0。

5、参数说明：

fd：要读取的文件的文件描述符，它是通过 open 等函数打开文件时返回的。

buf：要将读取的数据存储到哪个缓冲区中，这个缓冲区通常是一个指向数据的指针。

count：请求读取的字节数，读取到的数据将会保存到缓冲区 buf 中，并且文件的当前读写位置会向后移动相应的字节数。

write

1、功能：
write 函数用于从打开的设备或文件中写入数据。

2、头文件：
write 函数的声明位于 <unistd.h> 头文件中。

3、函数定义：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

这是 write 函数的函数原型，它接受三个参数：文件描述符 fd、要写入的数据缓冲区地址 buf 和要写入的字节数 count。

4、返回值：
write 函数的返回值是 ssize_t 类型，表示成功写入的字节数。如果出错，则返回 -1，并设置全局变量 errno 指示错误类型。如果在调用 write 之前已经到达文件末尾，则 write 返回 0。

5、参数说明：

fd：要写入的文件的文件描述符，它是通过 open 等函数打开文件时返回的。

buf：存储要写入内容的缓冲区的地址，这个缓冲区可以是任何内存中的位置，通常是一个指向数据的指针。

count：请求写入的字节数，将要写入的数据保存在缓冲区 buf 中，并移动文件的当前读写位置。

fcntl

1、功能：
fcntl 函数用于对文件描述符进行控制操作，包括复制描述符、获取/设置文件描述符标志以及获取/设置文件状态标志等。

2、头文件：
fcntl 函数的声明位于 <fcntl.h> 头文件中。

3、函数定义：

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

fcntl 函数接受三个参数：文件描述符 fd、控制命令 cmd 以及可选的参数 arg。
当函数有两个参数时，是获取权限；
当函数有三个参数时，是设置权限

4、返回值：
fcntl 函数的返回值根据不同的命令而异。一般情况下，成功执行时返回值取决于命令的具体含义，失败时返回 -1，并设置全局变量 errno 指示错误类型。

5、参数说明：

fd：要操作的文件的文件描述符。

cmd：控制命令，用于指定要执行的操作。常见的命令包括：

F_DUPFD：复制文件描述符。

F_GETFL：获取文件描述符的标志。

F_SETFL：设置文件描述符的标志。

F_GETFD：获取文件状态标志。

F_SETFD：设置文件状态标志。

等等，还有其他命令用于进行不同的操作。

arg：可选参数，用于传递给指定命令的参数。具体参数类型和含义取决于命令。

函数实现：

阻塞读取：

阻塞读取不需要使用fcntl函数改变标准输入符权限，因为本身标准输入本身就是阻塞的。

将标准输入读取到的数据写入到标准输出即可。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{

    char buf[10] = "";
    int nLength = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
    write(STDOUT_FILENO, buf, nLength);
    return 0;
}

阻塞读取标准输入，当读取到标准输入按下回车后，程序结束的速度很快

非阻塞读取：

非阻塞读取需要使用fcntl函数改变标准输入符权限为非阻塞。

1、fcntl获取标准输入权限

2、设置标准输入权限为非阻塞

3、读取标准输入

4、写入到标准输出中去

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    // 获取当前标准输入权限
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    // 改变当前标准输入权限为非阻塞
    flags |= O_NONBLOCK;
    char buf[10] = "";
    int nLength;
    while (1)
    {
        nLength = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)); // 读取标准输入
        if (nLength == -1)
        {
            if (errno == EAGAIN)
            {             // 没有读取到数据
                sleep(1); // 等待一秒，再重新读
                continue;
            }
            else
            { // 文件读取失败
                perror("read fail");
                return -1;
            }
        }
        else
        {
            break; // 读取成功，退出循环
        }
    }
    write(STDOUT_FILENO, buf, nLength); // 写入到标准输出中去
    return 0;
}

非阻塞读取标准输入，当读取到标准输入按下回车后，有时程序退出比较慢，因为可能出去非阻塞的sleep时间。