Linux下的非阻塞IO（一）

最新推荐文章于 2024-07-12 17:24:22 发布

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#操作系统 #python

本文详细解释了非阻塞IO的概念，并通过实验展示了其在不同场景下的工作原理。重点介绍了如何利用非阻塞IO提高I/O操作效率，以及实现非阻塞和阻塞模式切换的代码实现。

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非阻塞IO是相对于传统的阻塞IO而言的。

我们首先需要搞清楚，什么是阻塞IO。APUE指出，系统调用分为两类，低速系统调用和其他，其中低速系统调用是可能会使进程永远阻塞的一类系统调用。但是与磁盘IO有关的系统调用是个例外。

我们以read和write为例，read函数读取stdin，如果是阻塞IO，那么：

如果我们不输入数据，那么read函数会一直阻塞，一直到我们输入数据为止。

如果是非阻塞IO，那么：

如果存在数据，读取然后返回，如果没有输入，那么直接返回-1，errno置为EAGAIN

我们用write做一个实验：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>

char buf[500000];

int main(int argc, const char *argv[])
{
    int ntowrite, nwrite;

    ntowrite = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);
    fprintf(stderr, "read %d bytes\n", ntowrite);

    activate_nonblock(STDOUT_FILENO, O_NONBLOCK);

    char *ptr = buf;
    int nleft = ntowrite; //剩余的字节数
    while(nleft > 0)
    {
        errno = 0;
        nwrite = write(STDOUT_FILENO, ptr, nleft);
        fprintf(stderr, "nwrite = %d, errno = %d\n", nwrite, errno);

        if(nwrite > 0)
        {
            ptr += nwrite;
            nleft -= nwrite;
        }
    }

    deactivate_nonblock(STDOUT_FILENO);

    return 0;
}

该程序向标准输出写入500000个字节。

如果使用：

./test < test.mkv > temp.file

那么输出结果为：

read 500000 bytes
nwrite = 500000, errno = 0

因为磁盘IO的速度较快，所以一次就可以写入，下面我们使用终端：

./test < test.mkv  2> stderr.txt

这行命令将500000的内容打印到屏幕上，同时将fprintf记录的信息通过标准错误流写入stderr.txt。

我们查看stderr.txt文件：

read 500000 bytes
nwrite = 12708, errno = 0
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = 11687, errno = 0
nwrite = -1, errno = 11

…………………………………………..

nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = 1786, errno = 0

采用命令统计了一下，总计read次数为15247次，其中返回-1次数为15203次，说明成功读取次数为44次。

上面例子中，这种采用非阻塞IO的方式称为“轮询”，显然这是一种低效的方式，非阻塞IO通常与IO复用模型结合使用。

另外，将fd设置为阻塞和非阻塞的函数代码如下：

void activate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl");
    flags |= O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl");
}


void deactivate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl");
    flags &= ~O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl");
}