Linux 高級IO

非阻塞I/O

系統調用有兩類，“低速”系統調用和其他，而低速系統調用可能使進程永遠阻塞，例如讀某些終端設備文件，文件中並沒有數據，讀操作可能使調用者永遠阻塞。

非阻塞I/O使我們可以的一些操作不會永遠的阻塞，如果操作繼續執行將會進入阻塞狀態，則調用立即出錯返回。

比如對於一個給定的描述符，有兩種方法指定其爲非阻塞I/O：
1. 調用open函數打開文件時指定O_NONBLOCK標誌
2. 打開文件後對文件描述符調用fcntl修改文件狀態標誌，同上。

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阻塞 非阻塞 異步特點

• 阻塞IO的特點就是在IO執行的兩個階段（準備數據和拷貝數據）都被阻塞了

• 非阻塞IO的特點是用戶進程需要不點的主動詢問內核數據準備好了沒有

• IO多路複用通過一種機制一個進程能同時等待多個文件描述符，而這些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一個進入讀就緒狀態，select函數就可以返回

• 異步IO用戶進程發起read操作後可以立刻開始去做其他事情，而內核會等待數據準備完成然後拷貝到用戶內存，完成後給用戶進程發送一個signal告訴它read操作完成

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記錄鎖

當一個進程正在讀或者修改文件的某個部分的時候，使用記錄鎖可以防止其他進程修改同意文件區。

#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, .../*struct flock flockptr */);

/*struct flock {
    short l_type;    /* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
    short l_whence;  /* How to interpret l_start: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
    off_t l_start;   /* Starting offset for lock */
    off_t l_len;     /* Number of bytes to lock */
    pid_t l_pid;     /* PID of process blocking our lock (F_GETLK only) */
};*/

• l_type 鎖的類型：F_RDLCK（共享讀鎖）,F_WRLCK（獨佔寫鎖）,F_UNLCK（解鎖一個區域）

• l_whence 設定偏移位置，SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END

• l_start 設定區域起始位置偏移量

• l_len 設定鎖定區域的字節長度

• l_pid 持有鎖的進程ID，僅由F_GETLK返回

讀鎖可以共享，說明第一個進程對文件上鎖爲讀鎖時，其他進程也可以對文件上鎖區域獲取讀鎖進行讀取操作。假如進程想在讀鎖的基礎上獲取寫鎖則會被阻塞。而如果第一個進程對文件上鎖爲寫鎖的話，那麼其他進程對文件無論希望獲取什麼鎖都會被阻塞。

寫鎖例子:

#include<stdio.h> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/types.h>  
#include<sys/stat.h>  
#include<fcntl.h>
#include<sys/file.h>

int main()                                                          
{                                                                   
    int fd = open("test.txt",O_RDWR|O_CREAT,0644);                  
    if(fd < 0)                                                      
    {                                                               
        printf("open err\n");                                       
        return -1;                                                  
    }                                                               

    struct flock myflock;                                           
    myflock.l_type = F_WRLCK;  //獨佔性寫鎖 F_RDLCK爲共享讀鎖       
    myflock.l_whence = SEEK_SET; //偏移位置爲文件開頭               
    myflock.l_start = 0; //指定鎖的區域開頭                         
    myflock.l_len = 1024; //指定鎖的區域大小                        

    fcntl(fd, F_SETLKW, &myflock);  //鎖文件，鎖不上說明有別人上鎖，就阻塞等待                                                          

    printf("get lock\n");                                           

    myflock.l_type = F_UNLCK; //解鎖                                
    fcntl(fd, F_SETLKW, &myflock);                                  

    close(fd);
    return 0; 
}      

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I/O多路轉接

select函數

在所有POSIX兼容的平臺上，select函數使我們可執行I/O多路轉接。

#include <sys/select.h>
int select(int maxfd, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict exceptfds, struct timeval *restrict tvptr);

• 第一個參數爲最大文件描述符編號值加一

• 中間三個參數readfds,writefds,exceptfds是指向描述符集的指針，分別爲我們關心的可讀，可寫，處於異常條件的描述符集合

• 最後一個參數爲timeval結構體，指定等待描述符準備好的最大時間，若指定NULL則表示阻塞等待，指定0表示不阻塞立即返回，指定非0值爲正常指定時間

select例子

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#define MAXSIZE 1024

int main()
{
    int fd_key, fd_mouse;
    char buf[MAXSIZE];
    // 爲了代碼整潔性可讀性未加錯誤判斷,並且打開此文件可能要root權限
    fd_key = open("/dev/input/event1", O_RDONLY);
    fd_mouse = open("/dev/input/mice", O_RDONLY);
    // 第一個參數 最大文件描述符+1
    int maxfd = fd_key > fd_mouse ? fd_key : fd_mouse;
    maxfd++;
    printf("%d\n",maxfd);
    while(1)
    {
        fd_set rset;
        FD_ZERO(&rset); //將rset所有位置0
        FD_SET(fd_key, &rset);
        FD_SET(fd_mouse, &rset);

        struct timeval tv;
        tv.tv_sec = 1; //秒
        tv.tv_usec = 0; //微秒

        int ret = select(maxfd, &rset, NULL, NULL, &tv);
        if(ret < 0)
        {
            if(errno == EINTR) //被信號中斷
                continue;
            return -1;
        }
        else if(ret > 0)
        {
            if(FD_ISSET(fd_key, &rset))
            {
                //判斷是鍵盤操作
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
                read(fd_key, buf, sizeof(buf));
                printf("keyboard event\n");
            }
            else if(FD_ISSET(fd_mouse, &rset))
            {
                //判斷是鼠標操作
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
                read(fd_mouse, buf, sizeof(buf));
                printf("mouse event\n");
            }
        }
    }

    close(fd_key);
    close(fd_mouse);
    return 0;
}

epoll函數

在linux的網絡編程中，很長的時間都在使用select來做事件觸發。在linux新的內核中，有了一種替換它的機制，就是epoll。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size)；
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_create

創建一個epoll句柄，size用來告訴內核這個監聽的數目一共多大，但在Linux 2.6.8開始廢棄這個參數，但依然要大於0。

當創建好epoll句柄後，它就是會佔用一個fd值，在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll後，必須調用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。

epoll_ctl

epoll的事件註冊函數

• 第一個參數爲epoll_create返回值

• 第二個參數表示動作
  EPOLL_CTL_ADD：註冊新的fd到epfd中；
  EPOLL_CTL_MOD：修改已經註冊的fd的監聽事件；
  EPOLL_CTL_DEL：從epfd中刪除一個fd；

• 第三個參數爲需要監聽的fd

• 第四個參數struct epoll_event告訴內核要監聽什麼事件

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
    __uint32_t events; /* Epoll events */
    epoll_data_t data; /* User data variable */
};

event的取值:
EPOLLIN ：表示對應的文件描述符可以讀（包括對端SOCKET正常關閉）；
EPOLLOUT：表示對應的文件描述符可以寫；
EPOLLPRI：表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀（這裏應該表示有帶外數據到來）；
EPOLLERR：表示對應的文件描述符發生錯誤；
EPOLLHUP：表示對應的文件描述符被掛斷；
EPOLLET： 將EPOLL設爲邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT：只監聽一次事件，當監聽完這次事件之後，如果還需要繼續監聽這個socket的話，需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列裏

epoll_wait

等待事件的產生，參數events用來從內核得到事件的集合，maxevents告之內核這個events有多大，這個 maxevents的值不能大於創建epoll_create()時的size，參數timeout是超時時間。該函數返回需要處理的事件數目，如返回0表示已超時。

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epoll對文件描述符的操作有兩種模式：LT和ET。LT模式是默認模式，LT模式與ET模式的區別如下：

　　LT模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序，應用程序可以不立即處理該事件。
        下次調用epoll_wait時，會再次響應應用程序並通知此事件。

　　ET模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序，應用程序必須立即處理該事件。
        如果不處理，下次調用epoll_wait時，不會再次響應應用程序並通知此事件。
    （對應epoll_ctl內的struct epoll_event結構體中的__uint32_t enents的（ET）EPOLLET模式，默認是LT模式）

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select和epoll的區別

• select出現早，使用位域來表示描述符集合
  其缺點是描述符數量的限制，在Linux上一般爲1024，大規模文件通過遍歷fdset找到就緒的描述符，效率低。

• epoll出現晚，使用紅黑樹來保存文件集合，大規模文件描述符效率高

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存儲映射I/O

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