详解--高级IO

时间：2022-08-06 01:16:59


文章目录

  • 前言
  • 一、五种IO模型
  • 阻塞IO
  • 非阻塞IO
  • 信号驱动IO
  • IO多路转接:
  • 异步IO
  • 二、高级IO
  • 同步通信和异步通信
  • 阻塞 VS 非阻塞
  • 其他高级IO
  • 三、非阻塞IO
  • fcntl
  • 实现函数SetNoBlock
  • 总结

前言

  • 理解五种IO模型的基本概念.重点是IO多路转接.

正文开始!

一、五种IO模型

IO: 等 + 数据拷贝
read/recv:

  1. 等 IO事件就绪 --检测功能成分在里面.
  2. 数据拷贝

什么叫做高效的IO?
单位事件,等的比重越小,IO的效率越高.

阻塞IO

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,默认都是阻塞方式.
阻塞IO是最常见的IO模型.

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非阻塞IO

非阻塞IO:如果内核还未将数据准备好,系统调用仍然会直接返回,并且返回EWOULDBLOCK错误码.

非阻塞IO往往需要程序猿循环的方式反复尝试读取文件描述符,这个过程叫做轮询.这对CPU来说是较大的浪费,一般只有特定的场景下才使用.

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信号驱动IO

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.

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IO多路转接:

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

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前四种IO模型我们统称同步IO!!!

异步IO

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).

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小结:

  • 任何IO过程,都包含两个步骤.第一是等待,第二是拷贝.而且在实际的应用场景中,等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间.让IO更高效,最核心的办法就是让等待的时间尽量少.

二、高级IO

在这里,需要强调几个概念

同步通信和异步通信

同步通信和异步通信(synchronous communication/asynchronous communication)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;而是在调用后发出,被调用者通过状态、通知来通知调用者,或是通过回调函数处理这个调用.

另外,在多进程和多线程的时候,也提到同步和互斥.这里的同步通信和进程间的同步是完全不相干的概念.

  • 进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系.
  • 是为完成某种任务而建立的两个或多个线程,这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系.尤其是访问临界资源的时候.

所以以后在看到同步这个词,一定要先搞清楚大背景是什么.这个同步,是同步通信异步通信的同步还是同步与互斥的同步.

阻塞 VS 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.
  • 非阻塞调用值在不能立刻得到结果之前,该调用不会阻塞当前线程.

其他高级IO

非阻塞IO,记录锁,系统V流机制,IO多路转接(页脚IO多路复用),readv和writev函数以及存储映射IO(mmap),这些统称为高级IO.

接下来重点讨论的是IO多路转接.

三、非阻塞IO

fcntl

一个文件描述符,默认都是阻塞IO.

函数原型如下:

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

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

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传入的cmd的值不同,后面追加的参数也不相同.

fcntl函数有5中功能:

  • 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 = D_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IO所有权(cmd = F_GETOWN或F_SETOWN).
  • 获得/设置记录锁(cmd = F_GETLK,S_SETLK或F_SETLKW).

在这里只使用了第三种功能,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.

#include"util.hpp"
#include<string>

int main()
{
    // 0号描述符
    while(true)
    {
        string s;
        cin>>s; // 0
        cout<<"刚刚获取的内容是 # "<<s<<endl;
    }

    return 0;
}

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运行该程序就会默认阻塞在这里等待用户的输入.

实现函数SetNoBlock

基于fcntl,实现一个SetNoBlock函数,将文件描述符设置为非阻塞.

#ifndef _UTTL_HPP_
#define _UTTL_HPP_

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
using namespace std;
namespace Util
{

    bool SetNonBlock(int sock)
    {
        int flag = fcntl(sock,F_GETFL);
        if(flag == -1)
            return false;
        int n = fcntl(sock,F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
        if(n == -1)
            return false;
        return true;
    }
}


#endif


#include"util.hpp"
#include<string>

int main()
{
    Util::SetNonBlock(0);

    // 0号描述符
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
    	buffer[0] = 0;
        scanf("%s",buffer);
        cout<<"刚刚获取的内容是 # "<<buffer<<endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}
  • 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).
  • 然后在使用F_SET_FL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.

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此时就是非阻塞了!!!

总结

(本章完!)


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