Linux中让终端输入变为非阻塞的三种方法

介绍

　　在linux下每打开一个终端，系统自动的就打开了三个文件，它们的文件描述符分别为0,1,2，功能分别是“标准输入”、“标准输出”和“标准错误输出”，同时对应了三个文件流指针，分别是stdin,stdout和stderr。三个文件描述符定义了对应的宏，分别为STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO下表为他们的对应关系：

标准输入	0	STDIN_FILENO	stdin
标准输出	1	STDOUT_FILENO	stdout
标准错误输出	2	STDERR_FILENO	stderr

　　在程序中通过read从STDIN_FILENO这个文件描述符中读取数据，实际上就是读取终端上键盘输入的数据，当然也可以通过fread从stdin这个文件流指针中读取数据。通过write往STDOUT_FILENO这个文件描述符中写数据，自然就是往终端输出数据了。标准错误输出也是往终端输出，它与标准输出的区别就是标准输出是有缓冲的，而标准错误输出是无缓冲的。

　　在程序中可以通过各种办法从终端读取键盘输入的数据，有时候会希望调用的函数不阻塞，这里有三种方法可以实现。

1、通过ioctl清除非阻塞标志

　　函数原型：

　　　　int ioctl(int d, int request, ...);

　　参数：

　　　　d：文件描述符

　　　　request：功能码。根据填写的功能码选择第三个参数。

　　返回：

　　　　成功返回0，失败返回-1。但是也有一部分功能返回的是一个数值。

　　ioctl函数是一个万能函数，这里不详细解释。

　　传入的第二个参数为FIONBIO表示“设置/清除非阻塞标志”，那么第三个参数要传入一个int类型的指针，指针指向的值为1表示设置非阻塞标志，那么对应的文件描述符为非阻塞，指针指向的值为0表示清除非阻塞标志，那么对应的文件描述符为阻塞，简单的说就是“0就阻塞，1就非阻塞”

　　因此调用如下代码即可实现非阻塞：

int attr = 1;
ioctl(STDIN_FILENO, FIONBIO, &attr);   /* 清除非阻塞标志 */

　　通过该方法设置完成之后，在没有数据的情况下调用read函数将返回-1。

　　完整测试代码如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    int attr = 1;
    
    ioctl(STDIN_FILENO, FIONBIO, &attr);   /* 清除非阻塞标志 */
   
    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);  /* 如果不相信read变成了非阻塞可以去掉本行注释 */
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

2、通过fcntl设置非阻塞标志

　　函数原型：

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

　　参数：

　　　　fd：文件描述符。

　　　　cmd：功能码。根据填写的功能码选择第三个参数。

　　返回：

　　　　根据不同的功能决定。

　　fcntl函数与ioctl函数看上去有很多相似性，实际上这两个函数确实有很多功能是重叠的。

　　如果要通过fcntl让文件不阻塞，那么需要知道两个功能码：

　　F_GETFL：取得fd的文件状态标志,如同下面的描述一样(arg被忽略)                    

       F_SETFL：设置给arg描述符状态标志,可以更改的几个标志是：O_APPEND， O_NONBLOCK，O_SYNC和O_ASYNC。

　　很明显非阻塞标志是O_NONBLOCK，调用下列代码就可以实现非阻塞：

int attr = 0;
    
attr = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
attr |= O_NONBLOCK;
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, attr);

　　通过该方法设置完成之后，在没有数据的情况下调用read函数将返回-1。

　　完整测试代码如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    int attr = 0;
    
    /* 设置 O_NONBLOCK属性 */
    attr = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    attr |= O_NONBLOCK;
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, attr);
   
    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);  /* 如果不相信read变成了非阻塞可以去掉本行注释 */
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

3、通过设置termios实现

　　termios是一个结构体，详细介绍可以参见这篇博客：https://www.cnblogs.com/dartagnan/archive/2013/04/25/3042417.html

　　需要用到的函数有tcgetattr和tcsetattr，这两个函数的用法在这篇博客中有介绍：https://www.cnblogs.com/Suzkfly/p/11055532.html

　　操作流程就是先用tcgetattr获取文件属性，修改属性之后再用tcsetattr设置进去，关键代码如下：

    tcgetattr(STDIN_FILENO, &attr);
    attr.c_cc[VTIME] = 0;
    attr.c_cc[VMIN] = 0;
    attr.c_lflag &= ~ICANON;        /* 禁用规范输入模式 */
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &attr);

　　经过测试，attr.c_lflag &= ~ICANON;这一句一定要写，原因我也不知道，但是写了这句话会带来某些问题，在最后进行分析。

　　将attr.c_cc[VTIME]和attr.c_cc[VMIN]的值都设置为0。attr.c_cc[VTIME]和attr.c_cc[VMIN]共同决定了read函数的返回时机。表示读阻塞时间，单位是1/10秒。

　　如果经过了c_cc[VTIME]这么长时间，缓冲区内有数据，但是还没达到c_cc[VMIN]个数据，read也会返回。而如果当缓冲区内有了c_cc[VMIN]个数据时，无论等待时间是否到了c_cc[VTIME]，read都会返回，但返回值可能比c_cc[VMIN]还大，根据实际数据量而定。如果将c_cc[VMIN]的值设置为0，那么当经过c_cc[VTIME]时间后read也会返回，返回值为0。如果将c_cc[VTIME]和c_cc[VMIN]都设置为0，那么程序运行的效果与设置O_NONBLOCK类似，不同的是如果设置了O_NONBLOCK，那么在没有数据时read返回-1，而如果没有设置O_NONBLOCK，那么在没有数据时read返回的是0。

　　完整测试代码如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h> 

int main(int argc, const char *argv[])
{
    int port = 0;
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    struct termios attr;
      
    tcgetattr(STDIN_FILENO, &attr);
    attr.c_cc[VTIME] = 0;
    attr.c_cc[VMIN] = 0;
    attr.c_lflag &= ~ICANON;        /* 禁用规范输入模式 */
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &attr);

    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

4、分析总结

　　特别要注意的一点是，在测试的时候，如果你不知道你的操作会产生什么结果，在下次测试之前一定要重新开一个终端，因为如果终端没有结束的话，就表示文件没有关闭，即使程序退出了，之前的设置也是会保存的。

　　通过这三种方法都实现了设置属性为非阻塞，其实第一和第二种方法是一样的，第三种方法由于禁用了规范输入模式，会带来某些问题。所谓规范输入模式就是对某些特殊的键会产生特殊的效果，比如退格键应该回删一个字符，但通过第三种方法会将退格键也当成一个字符读取进去了。比如，在终端输入“abc”再输入一个退格，然后按回车，通过第一和第二种方法会接收到“ab\n”三个字符，而通过第三种方法则会收到“abc”+“退格”+“\n”5个字符。

　　第一和第二种方法虽然read不会阻塞，但是并不是说只要通过键盘输入了数据，它就能读到数据，即使通过键盘输入了一些数据，read函数返回的还是-1，直到按下回车键为止。