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五种IO模型与非阻塞IO

目录

五种IO模型与非阻塞IO

一、五种IO模型

1.1.IO效率问题

1.2.五种IO模型

1.3.同步与异步

1.4.阻塞IO

1.5.非阻塞IO

1.6.信号驱动IO

1.7.多路转接

1.8.异步IO

二、非阻塞IO

2.1.fcntl函数

2.2.实现阻塞与非阻塞读取

一、五种IO模型

1.1.IO效率问题

IO == 等待 + 拷贝

read() → Input缓冲区 → 等待 + 拷贝

write()→ Output缓冲区 → 等待 + 拷贝

单位时间内，传递的数据量越大，IO效率越高

等待时间久，单位时间拷贝量少，IO效率降低

高效IO：单位时间内，减少IO中，等待的比重

1.2.五种IO模型

钓鱼 == 等鱼上钩 + 提鱼进桶 == IO

人 == 进程，鱼 == 数据，鱼竿 == 网络套接字，河 == 操作系统 ，桶 == 用户缓冲区

张三：专注钓鱼，鱼漂不动，他也不动（阻塞IO）

李四：不会因为鱼没有上钩而卡在检测鱼漂上（非阻塞IO）

王五：在鱼竿顶部装上铃铛，鱼上钩反向通知我（信号驱动IO）

赵六：拉一卡车的鱼竿，共100只，在岸边来回等待（多路复用/多路转接）

田七：发起钓鱼过程，让其他人钓鱼，自己干自己的事情（异步IO）

阻塞 VS 非阻塞

IO条件不具备，阻塞就会卡住，直到条件就绪

IO条件不具备，非阻塞检测到后，会出错返回

在钓鱼效率上两者没有任何区别，而非阻塞做了其他工作，效率才高，但IO效率一样

谁的IO效率最高

站在鱼的角度，抬头看 100 / 104 个鱼竿是赵六的

单位时间内，等的比重很低，提高了鱼上钩的效率

王五是否要等待

王五只是不需要检测，但他需要参与钓鱼的过程，需要提鱼进桶

1.3.同步与异步

同步IO：阻塞、非阻塞、信号驱动、多路复用

异步IO：异步IO

同步 VS 异步

IO == 等待 + 拷贝

同步IO：参与IO等待或者拷贝的任意一个或多个阶段

异步IO：只发起IO，但IO的工作流与自身工作流无关

线程同步 VS IO同步

线程同步：多执行流执行具有一定顺序性

IO同步：该执行流是否参与IO的任意过程

1.4.阻塞IO

在内核将数据准备好之前，系统调用一直等待，所有的套接字默认都是阻塞方式

1.5.非阻塞IO

如果内核数据没有准备好，系统调用会直接返回EWOULDBLOCK错误码

非阻塞IO往往需要以循环的方式，反复地尝试读写文件描述符，也称为非阻塞轮询

1.6.信号驱动IO

内核将数据准备好时，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

1.7.多路转接

能够同时等待多个文件描述符的就绪状态

传统接口read/write/recv/send/recvfrom/sendto......既负责等待，又负责拷贝

select专门负责等待，数据准备好后，再调用read/write/recv/send/recvfrom/sendto......拷贝

select允许一次等待多个文件描述符

1.8.异步IO

由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序

二、非阻塞IO

2.1.fcntl函数

作用：设置一个文件描述符的属性

• cmd = F_DUPFD：复制一个现有的描述符
• cmd = F_GETFD/F_SETFD：获得/设置文件描述符标记
• cmd = F_GETFL/F_SETFL：获得/设置文件状态标记
• cmd = F_GETOWN/F_SETOWN：获得/设置异步IO所有权
• cmd = F_GETLK/F_SETLK：获得/设置记录锁

2.2.实现阻塞与非阻塞读取

阻塞IO

#include <iostream> #include <unistd.h> int main() { char buffer[1024]; while(true) { ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer)); if(n > 0) { buffer[n - 1] = 0; // 去掉回车 std::cout << buffer << std::endl; } //TODO } }

非阻塞IO

#include <iostream> #include <cstdio> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> void SetNonBlock(int fd) { int fl = fcntl(fd, F_GETFL); if(fl < 0) { perror("fcntl"); return; } fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 将fd设置为非阻塞 } int main() { SetNonBlock(0); char buffer[1024]; while(true) { // Linux中ctrl + d表示读取结束, read返回值是0, 类似读到文件结尾 ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer)); if(n > 0) { buffer[n - 1] = 0; // 去掉回车 std::cout << buffer << std::endl; } else if(n < 0) { if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 错误码 { // 1. 底层数据没有准备好 std::cout << "数据还未准备好......" << std::endl; sleep(1); // TODO continue; } else if(errno == EINTR) { // 2. 读取被信号中断 continue; } else { // 3. 读取出错 } } else { break; } // sleep(1); // std::cout << ". : " << n << std::endl; // C++也有语言层缓冲区，需要进行刷新才能打印 // TODO } }