【Linux网络编程】五种IO模型与非阻塞IO

一，五种IO模型

阻塞IO：在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。所有的套接字，默认都是阻塞状态的。

阻塞IO是最常见的IO模型。

非阻塞IO：如果内核将数据还没有准备好，系统调用仍会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码。

非阻塞IO往往需要程序猿以循环的方式反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询。这对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用。

信号驱动IO：内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

IO多路转接：虽然从流程图上看和阻塞IO类似。实际上最核心的在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

异步IO：由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)。

小结：任何IO过程，都包含两个步骤：第一个是等待，第二个是拷贝。而且在实际应用的场景中，等待消耗的时间往往高于拷贝的时间。让IO更高效，最核心的办法就是让等待的时间减少。

 二，IO重要概念

同步通信vs异步通信

同步和异步关注的是消息通信机制。

所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了; 换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果；

异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果；换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结果之后才会返回。
• 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

 三，非阻塞IO

fcntl

对于一个文件描述符，默认都是阻塞的，可以通过系统调用fcntl将其设置为非阻塞状态。

函数原型如下：

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

fcntl函数有五种功能：

• 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)

我们此处只是用第三种功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞。 

实现函数setNoBlock

//将文件描述符设置为非阻塞
void setNonBlock(int fd)
{
    int fl=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl<0)
    {
        perror("fcntl erro");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}

• 使用 F_GETFL 将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)。
• 然后再使用 F_SETFL 将文件描述符设置回去。设置回去的同时，加上一个O_NONBLOCK 参数。

轮询方式读取标准输入 

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

//将文件描述符设置为非阻塞
void setNonBlock(int fd)
{
    int fl=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl<0)
    {
        perror("fcntl erro");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}


int main()
{
    setNonBlock(0);

    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        int n=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);
        //读取成功
        if(n>0)
        {
            buffer[n-1]=0;
            std::cout<<buffer<<std::endl;
        }
        else if(n<0)
        {
            //1,读取出错 2，底层没有数据准备好
            if(errno==EAGAIN||errno==EWOULDBLOCK)
            {
                std::cout<<"数据还没有准备好..."<<std::endl;
                sleep(1);
                //做其他事情
            }
            else if(errno==EINTR)
            {
                //读取时被信号中断
                continue;
            }
            else
            {
                //真正的读取出错了
                break;
            }
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    return 0;
}