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一、IO理解

1.1 什么是 IO

IO（Input/Output）指的是：计算机系统中数据的输入与输出操作。

在 Linux 中 "一切皆文件"，网络套接字、磁盘文件、管道、终端设备等，都对应一个文件描述符（fd）

内核通过fd来统一管理所有 IO 资源。

1.2 IO 操作的两个阶段

一次 IO 读操作分为两个阶段：

阶段1：等待数据就绪 - 数据从网卡/磁盘到达内核缓冲区（kernel buffer） - 此时进程可能需要等待 阶段2：数据拷贝 - 内核将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区（user buffer） - 拷贝完成后返回

二、五种 IO 模型

2.1 阻塞 IO

用户进程 内核 | | |-- read(fd, buf) ----------->| | (进程阻塞) |-- 等待数据到达 | |-- 数据到达内核buffer | |-- 内核拷贝数据到用户buf |<------- 返回 --------------- | | |

• 所有的 socket 默认都是阻塞模式

• 在数据未就绪时，进程被挂起，无法做其他事

• 两个阶段都会阻塞

2.2 非阻塞 IO ★

用户进程 内核 | | |-- read(fd, buf) ----------->| |<------- EAGAIN ------------ | (数据未就绪) | | | (做其他事或继续轮询) | | | |-- read(fd, buf) ----------->| |<------- 返回数据 ------------| (数据已就绪)

• 通过 fcntl 设置 O_NONBLOCK 标志

• 数据未就绪时立即返回 EAGAIN/EWOULDBLOCK

• 需要不断轮询，浪费 CPU

2.3 信号驱动 IO

用户进程 内核 | | |-- 注册SIGIO信号处理函数 ----> | |-- fcntl设置属主和信号 ------->| | (做其他事) | | |-- 数据到达 |<------ SIGIO信号 ----------- | |-- read(fd, buf) ----------->| |<------- 返回数据 ----------- |

• 内核在数据就绪时发送 SIGIO 信号通知进程

• 进程收到信号后再调用 read 读取

• 实际使用较少

2.4 IO 多路复用 ★

用户进程 内核 | | |-- select/poll/epoll_wait -->| | (阻塞在select上) |-- 监控多个fd | |-- 某个fd就绪 |<------- 返回就绪fd列表 ----- | | | |-- read(就绪的fd) ----------> | |<------- 返回数据 ----------- |

• 用一个系统调用同时监控多个 fd

• 当某个 fd 就绪时，再进行对应的读写

• select / poll / epoll 三种实现

2.5 异步 IO

用户进程 内核 | | |-- aio_read / io_uring ----->| | (做其他事) |-- 等待数据到达 | |-- 数据拷贝到用户buf（内核完成） |<------ 完成通知/回调 ------- | | |

• 真正的异步：发起请求后，内核完成全部工作（包括数据拷贝）后通知进程。

• Linux 的实现：POSIX AIO、Linux AIO、io_uring

三、IO重要概念

3.1 阻塞与非阻塞

阻塞IO : 因IO条件不满足（数据从网卡/磁盘还未到达内核缓冲区），而阻塞卡住，直到IO条件就绪。 非阻塞IO : 采用轮询模式判断IO条件是否满足，若检测到IO条件不具备，就出错返回。

3.2 同步与异步

同步IO : 参与了IO的一个阶段或多个阶段过程 (等待数据 + 拷贝数据) 异步IO : 仅"发起IO" 或 "IO工作流"与当前工作流无关

四、非阻塞IO

4.1 fcntl 系统调用

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

• 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）。

4.2代码示例

设置非阻塞模式

#include <fcntl.h> #include <unistd.h> ​ // 获取当前文件状态标志 int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); ​ // 设置非阻塞标志 fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

代码示例：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> ​ int main() { char buf[1024]; ssize_t n; ​ // 将标准输入设置为非阻塞 int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0); fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); ​ printf("尝试读取（非阻塞模式）...\n"); ​ while (1) { n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1); if (n > 0) { buf[n] = '\0'; printf("读到 %zd 字节: %s", n, buf); } else if (n == -1) { if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) { printf("数据未就绪，稍后再试...\n"); usleep(500000); // 500ms 后重试 } else { perror("read error"); break; } } else if (n == 0) { printf("EOF\n"); break; } } return 0; }