五种IO模型与非阻塞IO

五种IO模型

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。
  

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.
  

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.一次可以等待多个文件描述符，就是提高了IO效率。
  

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).
  

高级IO重要概念

同步通信 vs 异步通信

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, 我们回忆在讲多进程多线程的时候, 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.

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.

非阻塞IO

• 一个文件描述符, 默认都是阻塞IO.

fcntl函数：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

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).

我们此处只是用第三种功能, 获取/设置文件状态标记, 就可以将一个文件描述符设置为非阻塞.。对于第三种功能当我们的cmd的是F_SETFL时，后面可变参数的值如下图：

文件状态标志	说明	十六进制值
O_RDONLY	只读打开	0x0
O_WRONLY	只写打开	0x1
O_RDWR	读、写打开	0x2
O_APPEND	追加写	0x400
O_NONBLOCK	非阻塞模式	0x800
O_SYNC	等待写完成（数据和属性）	0x1000
O_DSYNC	等待写完成（仅数据）	0x4000
O_RSYNC	同步读和写	0x8000
O_FSYNC	等待写完成	0x100000
O_ASYNC	异步IO	0x2000

实现函数SetNoBlock

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
using namespace std;
void SetNoBlock(int fd)
{
    int n = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (n < 0)
    {
        perror("f_getfl");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL,n | O_NONBLOCK);
}

轮询方式读取标准输入

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
using namespace std;
void SetNoBlock(int fd)
{
    int n = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (n < 0)
    {
        perror("f_getfl");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL,n | 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("%d\n",1);
        printf("input:%s\n", buf);
    }
    return 0;
}