五种IO模型和阻塞IO

1. IO概念

对于前面学习的进程间通信和网络通信，本质上就是IO，所谓IO就是Input/Output，即输入输出，而输入输出是对于内存来说的，把数据从外设（如硬盘）读到内存就是输入，将数据从内存写到外设，就是输出。

2. 五种IO模型

2.1 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。

2.2 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往往需要程序员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，一般只有特定情况下才使用。

2.3 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。

2.4 IO多路转接

虽然从流程图看来和阻塞IO类似，但实际上最核心的地方在于IO多路转接能同时等待多个文件描述符的就绪状态。

2.5 异步IO

由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序（而信号驱动是可以开始拷贝时通知）。

2.6 小结

任何IO过程中，都包含两个步骤，一是等待，二是拷贝，而且在实际的应用场景中，等待消耗的时间往往高于拷贝的时间，让IO更加高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量的少。

3. 高级IO的重要概念

3.1 同步通信 vs 异步通信（synchronous communication / asynchronous communication）

同步和异步关注的是消息通知机制。

• 同步，就是在发出调用时，没有得到结果值卡吗，该调用就不返回，一旦返回就说明这个调用结束了，换句话说就是由调用者主动等待这个调用的结果。
• 异步，和同步相反，在调用发出后，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，调用者立即返回，而不会得到结果，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。

另外的，在多线程/多进程部分时，也提到过同步和互斥，这里的同步通信和进程之间的同步通信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，尤其是在访问临界资源的时候。

3.2 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。
• 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程，而是直接返回。

3.3 理解者这四者之间的关系

3.4 其他高级IO

非阻塞IO、记录锁、系统V流机制、I/O多路转接（I/O多路调用），readv和writev函数以及存储映射IO（mmap），这些称为高级IO。

我们后面的重点为I/O多路转接。

4. 非阻塞IO

4.1 fcntl

include <fcntl.h>

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

功能：fcntl 函数是 Linux 系统中的一个系统调用，用于对文件描述符执行各种控制操作。它能管理文件状态标志、文件锁、复制文件描述符等。

常用操作（cmd 参数）：

1. F_GETFL - 获取文件状态标志（如 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_APPEND、O_NONBLOCK）。
2. F_SETFL - 设置文件状态标志（仅可修改 O_APPEND、O_NONBLOCK、O_ASYNC 等标志）。
3. F_GETFD - 获取 close-on-exec 标志。
4. F_SETFD - 设置 close-on-exec 标志（使用 FD_CLOEXEC）。
5. F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW - 文件锁操作。
6. F_DUPFD - 复制文件描述符。

返回值：成功时返回依赖命令的值（如 F_GETFL 返回旧标志），失败时返回 -1 并设置 errno。

可变参数：第三个参数取决于命令（如 F_SETFL 传入整数，文件锁操作传入 struct flock 指针）。

下面我们使用到是第1、2种功能，获取/设置文件状态标记，就可与将一个文件描述符设置为非阻塞。

4.2 实现 SetNoBlock

基于fcntl，我们实现一个SetNoBlock函数，将文件描述符设为非阻塞。

void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
    {
        perror("fcntl");
        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。

4.3 轮询方式读入标准输入

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

using namespace std;

void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNoBlock(0);
    while (1)
    {
        char buf[1024] = {0};
        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (read_size < 0)
        {
            cerr << "read" << endl;
            sleep(1);
            continue;
        }
        cout << "input:" << buf << endl;
    }
    return 0;
}

此时，非阻塞情况下，read依旧会以-1进行返回，此时我们如何分辨它是出错了还是非阻塞返回？

我们可以通过错误码来分辨，当错误码为11（EWOULDBLOCK或EAGAIN，表示底层数据没有就绪）的时候，意味着是非阻塞返回。