事件驅動IO模式（圖解+秒懂+史上最全）

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信號驅動IO的簡介

在信號驅動IO模型中，用戶線程通過IO事件的回調函數註冊，來避免IO時間查詢的阻塞。

具體的做法是，用戶進程預先在內核中設置一個回調函數，當某個事件發生時，內核使用信號（SIGIO）通知進程運行回調函數。 然後用戶線程會繼續執行，在信號回調函數中調用IO讀寫操作來進行實際的IO請求操作。

信號驅動IO的基本流程

信號驅動IO的基本流程是：

用戶進程通過系統調用，向內核註冊SIGIO信號的owner進程和以及進程內的回調函數。內核IO事件發生後（比如內核緩衝區數據就位）後，通知用戶程序，用戶進程通過read系統調用，將數據複製到用戶空間，然後執行業務邏輯。

信號驅動IO模型，每當套接字發生IO事件時，系統內核都會向用戶進程發送SIGIO事件，所以，一般用於UDP傳輸，在TCP套接字的開發過程中很少使用，原因是SIGIO信號產生得過於頻繁，並且內核發送的SIGIO信號，並沒有告訴用戶進程發生了什麼IO事件。

但是在UDP套接字上，通過SIGIO信號進行下面兩個事件的類型判斷即可：

1 數據報到達套接字

2 套接字上發上一部錯誤

因此，在SIGIO出現的時候，用戶進程很容易進行判斷和做出對應的處理：如果不是發生錯誤，那麼就是有數據報到達了。

事件註冊的步驟

舉個例子。發起一個異步IO的read讀操作的系統調用，流程如下：

（1）設置SIGIO信號的信號處理回調函數。

（2）設置該套接口的屬主進程，使得套接字的IO事件發生時，系統能夠將SIGIO信號傳遞給屬主進程，也就是當前進程。

（3）開啓該套接口的信號驅動I/O機制，通常通過使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞標誌和O_ASYNC異步標誌完成。

完成以上三步，用戶進程就完成了事件回調處理函數的設置。當文件描述符上有事件發生時，SIGIO 的信號處理函數將被觸發，然後便可對目標文件描述符執行 I/O 操作。

關於以上三步的詳細介紹，具體如下：

第一步：

設置SIGIO信號的信號處理回調函數。Linux中通過 sigaction() 來完成。參考的代碼如下：

   // 註冊SIGIO事件的回調函數

   sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

sigaction函數的功能是檢查或修改與指定信號相關聯的處理動作（可同時兩種操作），函數的原型如下：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,

                     struct sigaction *oldact);

對其中的參數說明如下：

1 signum參數指出要捕獲的信號類型

2 act參數指定新的信號處理方式

3 oldact參數輸出先前信號的處理方式（如果不爲NULL的話）。

該函數是Linux系統的一個基礎函數，不是爲信號驅動IO特供的。在信號驅動IO的使用場景中，signum的值爲常量 SIGIO。

第二步：

設置該套接口的屬主進程，使得套接字的IO事件發生時，系統能夠將SIGIO信號傳遞給屬主進程，也就是當前進程。屬主進程是當文件描述符上可執行 I/O 時，會接收到通知信號的進程或進程組。

爲文件描述符的設置IO事件的屬主進程，通過 fcntl() 的 F_SETOWN 操作來完成，參考的代碼如下：

fcntl(fd,F_SETOWN,pid)

當參數pid 爲正整數時，代表了進程 ID 號。當參數pid 爲負整數時，它的絕對值就代表了進程組 ID 號。

第三步：

開啓該套接口的信號驅動IO機制，通常通過使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞標誌和O_ASYNC異步標誌完成。參考的代碼如下：

int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //設置非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //設置爲異步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

這一步通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成，O_NONBLOCK爲非阻塞標誌，O_ASYNC爲信號驅動 I/O的標誌。

使用事件驅動IO進行UDP通信應用的開發，參考的代碼如下（C代碼）：

int socket_fd = 0;

 

//事件的處理函數

void do_sometime(int signal) {

    struct sockaddr_in cli_addr;

    int clilen = sizeof(cli_addr);

    int clifd = 0;

 

    char buffer[256] = {0};

    int len = recvfrom(socket_fd, buffer, 256, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr,

                       (socklen_t)&clilen);

    printf("Mes:%s", buffer);

    

    //回寫

    sendto(socket_fd, buffer, len, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, clilen);

}

 

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

    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;

    act.sa_handler = do_sometime;

    // 註冊SIGIO事件的回調函數
    sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

    struct sockaddr_in servaddr;

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons(8888);

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

 

    //第二步爲文件描述符的設置 屬主

    //設置將要在socket_fd上接收SIGIO的進程

    fcntl(socket_fd, F_SETOWN, getpid());

 

    //第三步：使能套接字的信號驅動IO

    int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //設置非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //設置爲異步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

 

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    while (1) sleep(1); //死循環

    close(socket_fd);

    return 0;

}

當套件字的IO事件發生時，回調函數被執行，在回調函數中，用戶進行執行數據複製即可。

信號驅動IO優勢：

用戶進程在等待數據時，不會被阻塞，能夠用戶進程的效率。具體來說：在信號驅動式I/O模型中，應用程序使用套接口進行信號驅動I/O，並安裝一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。

信號驅動IO缺點：

1 在大量IO事件發生時，可能會由於處理不過來，而導致信號隊列溢出。

2 對於處理UDP套接字來講，對於信號驅動I/O是有用的。可是，對於TCP而言，由於致使SIGIO信號通知的條件爲數衆多，進行IO信號進一步區分的成本太高，信號驅動的I/O方式近乎無用。

3 信號驅動IO可以看成是一種異步IO，可以簡單理解爲系統進行用戶函數的回調。但是，信號驅動IO的異步特性，又做的不徹底。信號驅動IO僅僅在IO事件的通知階段，是異步的，但是，在將數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區這個過程，用戶進程是阻塞的、同步的。