五种IO模型和阻塞IO_io模型有哪几种-优快云博客

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五种 IO 模型和阻塞 IO

五种 IO 模型和阻塞 IO

IO：Input 和 Output，即输入输出

1、五种 IO 模型

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)。

1.6、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 概念

2.1、同步通信（synchronous communication）和异步通信（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。

这里要注意区分进程间的同步，这是两个不相干的概念。

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。

2.2、阻塞 IO 和非阻塞 IO

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。

3、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。

我们此处重点讨论的是 I/O 多路转接。

4、非阻塞 IO

4.1、fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞 IO。

函数原型如下：
#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)

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。

4.2、实现函数 SetNoBlock

基于 fcntl，我们实现一个 SetNoBlock 函数，将文件描述符设置为非阻塞。

NoBlock.hpp文件：
#pragma once

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
void SetNonBlock(int fd)
{
   int f1 = ::fcntl(fd, F_GETFL); // 获取标记位
   if (f1 < 0)
       return;
   ::fcntl(fd, F_SETFL, f1 | 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