linux --- 常見的IO模型與fcnl和select函數說明

IO 模型

當我們寫一個程序，他要求外設進行輸入或者輸出時，那麼在內核進行處理數據的這個時間中，我們的程序都在做了什麼事呢？

IO過程

1. 等待IO就緒，也就是想要獲取的資源已經準備好了，可以進行操作了。

2. 將需要操作的數據，拷貝到緩衝區中

阻塞IO

阻塞IO，在內核態中把數據準備完成之前，用戶態中的調用程序會一直處於等待的狀態。（什麼也不幹，就等着內核告訴自己可以了）

之前所使用的那些套接字中，他們的默認IO 方式都是阻塞IO

特點：

1. 阻塞IO中，用戶空間阻塞的時間大小取決於內核空間的處理數據的速度
2. 在等待的過程中，執行流是被掛起的，這就造成了對CPU的利用率低
3. 程序編寫的流程簡單

非阻塞IO

非阻塞IO，我們在程序中是使用循環詢問的方式，一直問內核態數據有沒有準備完成

• 準備完成，內核態進行拷貝數據，返回成功的指示
• 沒有準備完成，內核態返回EWOULDBLOCK錯誤碼

特點：

1. 非阻塞IO對CPU的利用率相比阻塞IO來說要高一點
2. 循環調用，直到IO請求完成
3. IO準備就緒的時候，到拷貝數據之間不一定滿足實時性
4. 程序流程複雜

區別：在資源不可用的情況下，就看系統的調用是否立即返回

• 立即返回，非阻塞IO
• 沒有返回，阻塞IO

信號驅動IO

信號驅動IO，內核態中把數據準備完成之後，使用之前定義的SIGIO信號通知應用程序進行IO操作。

流程：

1. 程序收到一個IO信號
2. 內核調用這個IO信號的自定義處理函數（signal），在這個自定義的處理函數中發起IO 調用

特點：

1. IO準備就緒，到數據的拷貝這個過程中，程序的實時性增加了
2. 不需要重複發起IO調用，但是需要在程序中增加自定義信號函數的處理邏輯
3. 程序比較複雜，流程多了。

異步IO

異步IO，當內核中把程序拷貝完成時，再通知應用程序（信號驅動是告訴應用程序何時可以開始拷貝數據）

特點：

1. 異步IO模型中，數據拷貝的過程也被內核完成了
2. 自定義的信號處理函數，使得程序流程變的複雜
3. 和阻塞IO差不多，實時性沒有太大的影響

同步通信與異步通信

之前在多線程中，有一個同步與互斥的概念，這裏同步的意思是：讓多個執行流之間可以合理的訪問臨界資源

而這裏的同步與異步中的同步是指：當程序發出一個調用的時候，在沒有得到結果之前，這個調用就不會返回。當調用返回的時候，就一定是得到了一個結果

異步是指：當程序發出一個調用，這個調用就直接返回了，所以沒有返回結果。等到內核中完成了拷貝的操作，再通過一些方式來通知調用者（信號），或者通過回調函數來處理這個調用。

二者的區別
數據拷貝的過程是否由程序來完成

• 是程序來完成的：同步
• 是內核來完成的：異步

是否是由調用者來等待調用結果

• 是，則爲同步
• 不是，則爲異步

IO 多路轉接

IO多路轉接，可以同時等待多個文件描述符的就緒狀態

作用： IO多路轉接可以完成大量描述符的監控，所監控的事件主要有：可讀事件，可寫事件，異常事件

當使用多路轉接IO的時候，每當多路轉接的接口處發現了一個就緒的文件描述符的時候，就會通知相應的進程，讓進程對這個描述符進行操作，其他描述符繼續進行監控。

好處 ： 避免了其他進程對沒有就緒的文件描述符進行操作，從而陷入阻塞狀態

非阻塞IO 中的輪詢過程

• 所使用的函數接口fcntl()，默認是阻塞IO

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

1. fd，文件描述符
2. cmd，不同的cmd的值，會產生不同的作用

寫一個程序，他的功能就是獲取輸入的數據。

1. 先使用自定義的SetNoBlock函數，將 0 -- 標準輸入的文件描述符設置爲非阻塞的狀態
2. 使用while(1)死循環來模擬一個非阻塞調用的過程，用read來當做內核態中的拷貝數據的過程

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

using namespace std;

void SetNoBlock(int fd)
{
    //獲得文件描述符的狀態標識
    int ret = fcntl(fd,F_GETFL);
    if(ret < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return ;
    }
    //設置文件描述符的狀態，並加上一個非阻塞狀態
    fcntl(fd,F_SETFL,ret | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNoBlock(0);//0 -- 標準輸入描述符

    while(1)
    {
        char buf[1024] = {'\0'};
        ssize_t read_size = read(0,buf,sizeof(buf) - 1);
        if(read_size < 0)
        {
            perror("read");
            sleep(3);

            continue;
        }

        cout<<"輸入了 ： "<<buf<<endl;
    }

    return 0;
}

程序運行結果：

IO 多路轉接中的select

作用： 用程序來對多個文件描述符的狀態進行監控，如果有描述符準備就緒，就返回該描述符，讓用戶對這個描述符進行操作

1. 將用戶所要使用的文件描述符拷貝到內核中，讓內核幫助用戶進行監控
2. 如果內核發現某個文件描述符已經就緒，就返回這個文件描述符
3. 用戶對這個文件描述符進行操作

函數接口：

• select接口

/* According to POSIX.1-2001 */
#include <sys/select.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
    fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

1. nfds：取值爲所監控的最大的文件描述符的數值 + 1（最大爲1024），可以提高select的監控效率
2. fd_set ：是一個結構體，在結構體內部是一個fds_bits數組，他的使用可以看成是一個位圖，一共1024位，對應着1024個文件描述符

typedef long int __fd_mask;

#define __FD_SETSIZE	1024

#define __NFDBITS   (8 * (int) sizeof (__fd_mask)

__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];

所以說，數組中元素的個數 = 1024 / （8 * sizeof(long int) ） --》 也就是16個元素

fds_bits數組的大小(位) = (1024 / （8 * sizeof(long int) ）) * sizeof(long int ) * 8 = 1024

fd_set接口

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   // 用來清除描述詞組set中相關fd 的位

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  // 用來測試描述詞組set中相關fd 的位是否爲真

void FD_SET(int fd, fd_set *set);   // 用來設置描述詞組set中相關fd的位

void FD_ZERO(fd_set *set);       	// 用來清除描述詞組set的全部位

3. rdset,wrset,exset分別對應於需要檢測的可讀文件描述符的集合，可寫文件描述符的集 合及異常文件描述符的集合;
4. timeout，超時時間

5. 函數的返回值

注意：select 返回的時候，會將沒有就緒的文件描述符從集合中去除，只返回就緒的文件描述符

所以我們需要循環給fd_set結構體進行初始化操作

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

int main()
{
    fd_set read_fds;
    
    timeval time;

    while(1)
    {
        //清除 fd_set 的所有位
        FD_ZERO(&read_fds);
        // 設置 0 標準輸入 文件描述符
        FD_SET(0,&read_fds);
        
        printf("> ");
        fflush(stdout);
        
        //沒有超時時間
        //int ret = select(1,&read_fds,NULL,NULL,NULL);
        
        time.tv_sec = 3;
        time.tv_usec = 0;
        //設置超時時間
        printf("time = %d\n",time.tv_sec);
        int ret = select(0 + 1,&read_fds,NULL,NULL,&time);
        if(ret < 0)
        {
            perror("select");
            continue;
        }
        else if(ret == 0)
        {
            printf("timeout time : %d\n",time.tv_sec);
            sleep(1);
            continue;
        }

        //判斷 0 標準輸入文件描述符是否爲真
        if(FD_ISSET(0,&read_fds))
        {
            //就緒
            char buf[1024] = {'\0'};
            read(0,buf,sizeof(buf)-1);
            printf("輸入 ： %s\n",buf);
        }
        else 
        {
            printf("無效的文件描述符 \n");
            continue;
        }

    }
    return 0;
}

在使用select 的定時機制的時候，需要注意：

select 中的第五個參數，就是timeval結構體，但是所傳的結構體是一個實時性的結構體，在發生阻塞進行計時的時候，會對結構體中的數據進行減法操作。

如果我們只用select函數判斷一次，那麼我們怎麼設置都可以（在select調用之前）；但是如果我們需要進行循環判斷，那麼我們必須在循環的內部進行賦值操作，不可以再循環外面。

如果我們在循環的外面只賦值一次，那麼就只有第一次超時是有效的，其他的時候程序會一直卡在timeout這塊

通過打印結構體的時間進行驗證

寫在循環內部的timeval賦值後的結果：

select 的優缺點

優點：

1. select 遵循的是posix標準，可以跨平臺操作
2. select 對於超時的時間可以控制在微秒中

缺點：

1. select 是輪詢遍歷的，監控的效率會隨着文件描述符的增多而下降
2. select 可以監控的文件描述符是有上限的（1024），取決於內核中__FD_SETSIZE宏的值
3. select 在監控文件描述符的時候，需要將集合拷貝到內核當中；當監控的文件描述符就緒的時候，同樣會從內核拷貝到用戶空間中，他的效率會受到影響
4. select 在返回就緒的文件描述符的時候，會把集合中沒有就緒的文件描述符刪除掉，導致第二次在監控的時候還需要重新添加
5. select 無法直接查看那個文件描述符已經就緒，需要手動通過返回事件的集合去判斷
6. select 的超時機制，如果在循環判斷的情況下，每次調用之前都需要更新一下時間。因爲在計時的時候，這個結構體中的時間是會變的