Linux网络 | 初识高级IO | 认识五种IO模型、代码实现非阻塞IO-优快云博客

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前言：本节内容进入高级IO，我们将要讲解高级IO的铺垫性质的知识点，比如理解高级IO，IO分为什么等等。下面废话不多说，开始我们的学习吧！！！

ps：本节内容刚刚进入高级IO，友友们放心观看哦！

重新理解IO

以read为例，我们今天调用read，接收缓冲区没有数据，那么read就阻塞等待了。

以write为例，我们今天调用write，发送缓冲区被打满了，那么write阻塞等待了。

我们就知道一个基本事实就是，在应用层读写的时候，本质不是从网络当中读数据，或者把数据写到网络里，我们其实是把数据写给操作系统，至于操作系统什么时候发，发多少，由操作系统自己决定。所以read和write其实本质就是拷贝函数，我们平时应用层用的这些读写函数，其实就是拷贝函数。

更重要的是，我们把读写就叫做IO，即Input和Output。

当我们进行IO的时候，其实应用层大部分时间，都是等待的操作。只有当有数据才读，只有当有空位，才写。所以，IO本质 = 等 + 拷贝。那么我们IO的过程中在等什么呢？对于read，在等缓冲区有数据；对于write，在等缓冲区有空位。所以，我们真正IO的时候，要进行拷贝，就要先判断条件成立，这里的条件就叫做读写事件。

所以，我们以后就一句话: IO = 等 + 贝，等什么? 等读写事件就绪。

什么叫做高效的IO呢？单位时间内，IO过程中等的比重越小，IO的效率就越高。几乎所有的提高IO效率的策略，本质就是让等的比重减小。

五种IO模型

五种IO模型分为以下五种：

1、阻塞式。我们学过的大部分接口，比如read， write接口。都是阻塞式。
2、非阻塞式。就是非阻塞轮询查看是否读写事件就绪。
3、信号驱动。就是当读写事件就绪的时候通知我们。
4、多路复用，多路转接。
5、异步IO

阻塞IOVS非阻塞IO。两者在IO层面没有区别。因为IO = 等 + 拷贝。只不过等的方式不同，所以在非阻塞时候可以做其他事，在其他事上效率更高。

同步IO和异步IO的区别？区别就是有没有参与IO。参与了，就是同步。没参与，只是发起IO，就是异步。

这里讲的同步IO和线程同步之间，没有关系！！！

上面的这些方法，谁的效率最高？就是多路转接。所以我们接下来几节内容都是要学习多路转接。但是由于非阻塞也有一些重要，所以也要了解一下非阻塞，本节内容的任务就是将非阻塞进行讲解完毕。

阻塞式等待

当我们recvfrom向操作系统要数据的时候，操作系统说数据还没有准备好，则等待数据。等待数据，其实就是阻塞在了recvfrom这个系统调用里面了。怎么阻塞?

本质就是把PCB从运行队列里面拿下来，当数据好了之后，再把我们的进程唤醒运行。再把数据从内核当中拷贝到应用层返回。这个时候revfrom才能够返回。所以recvfrom这个函数就是先等，然后再拷贝。

非阻塞式等待

然后recvfrom也可以设置成为非阻塞。设置成非阻塞如果再没有数据，那么不会等待，而是直接返回一个EWOULDBLOCK。如果检测到数据报准备好了，那么我们就可以把数据从内核拷贝到用户层，然后就完成了。

多路转接

上面的recvfrom一个函数，承担了两种任务。第一种是等，第二种是数据拷贝。然后多路转接有自己的函数，其中一个就叫select。select只负责IO当中的等，事件就绪后他会通知上层。然后上层再来读取，这样recvfrom或者read等接口直接调用的话就不需要等了。所以，这里的select，以及我们以后讲解的其他的多路转接接口，最大的特点就是他们会一次性等待多个文件描述符。

异步IO

其实异步IO接口在操作系统层面和应用层面都有。我们调用异步IO接口。接口就直接返回。应用层就能继续做自己的事情。在做自己的事情的时候，操作系统帮我等，等好之后操作系统帮我把数据从内核拷贝到用户。之后再进行数据处理。

非阻塞

我们这里要使用代码来实现一下网络套接字版本的非阻塞IO。首先下面是我们要用到的核心函数fcntl。其中第一个参数就是文件描述符（可以是网络版本的，也可以是非网络版本的）。

对于上面的cmd，对指定的描述符，进行设置状态。传入的cmd不同，后面的可变参数就不同。

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)。

下面是我们测试非阻塞的代码：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<cstring>
using namespace std;


//这里之所以要先获得标志位， 是因为担心这个文件描述符已经设置过标记位了。
void SetNoBlock(int fd) //
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
    {
        perror("fcntl");
        exit(0);
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}


int main()
{
    SetNoBlock(0);
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        cout << "Please Enter# ";
        fflush(stdout); 

        ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n - 1] = 0;
            cout << "echo: " << buffer << endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            cout << "read done" << endl;
        }
        else
        {
            if (errno == EWOULDBLOCK)
            {
                cout << "not ready, try again" << endl;
                sleep(1);
        
            }
            else
            {

                cout << "read error n = "  << n << endl;
                cout << "error code: " << errno << " " << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
            
            }
        }
    }
    return 0;
}

上面的代码，为什么当n == -1的时候里面还要进行判断一下是否errno是EWOULDBLOCK。因为如果一旦我们把fd设置成非阻塞, 一旦底层没有数据，那么返回值就会以出错的形式返回。所以非阻塞轮询的时候出错有两种情况：1、真的出错。2、底层没有就绪。

我们如何区分，就是使用错误码区分，如果错误码是11，那么就是没有就绪。宏定义名称叫做：EWOULDBLOCK。