C语言-IO模型

IO模型

在UNIX/Linux下主要有4种I/O模型

• 阻塞I/O（最常用）
• 非阻塞I/O（可防止进程阻塞在I/O操作上，需要轮询）
• I/O多路复用（允许同时对多个I/O进行控制）
• 信号驱动I/O（一种异步通讯模型）

阻塞I/O模式

• 阻塞I/O模式是最普遍使用的I/O模式，大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O
• 缺省情况下，套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O模式
• 很多读写函数在调用过程中会发生阻塞
  • 读操作-read、recv、recvfrom
  • 写操作-write、send
  • 其他操作-accept、connect

读阻塞-这里以read函数为例

• 进程调用read函数从套接字上读取数据，当套接字的接受缓冲区中还没有数据可读，函数read将会发生阻塞
• 它会一直阻塞下去，等待套接字的接受缓冲区中有数据可读
• 经过一段时间后，缓冲区内接受到数据，于是内核便去唤醒该进程，通过read访问这些数据
• 如果在进程阻塞的过程中，对方发生故障，那这个进程将永远阻塞下去

 

写阻塞

• 在写操作时发生阻塞的情况要比读操作少，主要发生要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下
• 这时，写操作不进行任何拷贝工作，将发生阻塞
• 一旦发送缓冲区内有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区
• UDP不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以UDP协议中不存在发送缓冲区慢的情况；也就是说UDP套接字上执行的写操作永远不会阻塞

 

非阻塞I/O模型

• 当我们将一个套接字设置为非阻塞模式，我们相当于告诉了系统内核：“当我请求的I/O操作不能够马上完成，你想让我的进程进行休眠等待的时候，不要这么做，请马上返回一个错误给我
• 当一个应用程序使用了非阻塞的套接字，它需要使用一个循环来不停地测试是否一个文件描述符有数据可读（称作polling）
• 应用程序不停的polling 内核来检查是否I/O操作已经就绪。这是一个极浪费CPU资源的操作
• 这种模式使用中不普遍

非阻塞模式的实现-fcntl() 函数

• 当你一开始建立一个套接字描述符的时候，系统内核将其设置为阻塞I/O模式
• 可以使用fcntl()设置一个套接字的标志位O_NONBLOCK 来实现非阻塞
• 代码实现

#include <fcntl.h>

int flag = 0;
// 获取到当前的设置
flag = fcntl(sockfd,F_SETFL,0);
flag |=O_NONBLOCK;
// 设置回去
fcntl(sockfd,F_SETFL,flag);

 

或者使用 ioctl()函数

#include <sys/ioctl.h>

int b_on = 1;
ioctl(sockfd, FIONBIO, &b_on);

 

多路复用

• 应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，将得不到预期的目的
• 若采用非阻塞模式，对多个输入输出进行轮询，但又太浪费CPU时间
• 若设置多进程，分别处理一条数据通路，将新产生进程的同步于通讯问题，使程序变得更加复杂
• 比较好的方式是使用I/O多路复用，基本思想是
  • 先构造一张有关描述符的表，然后调用一个函数。当这些文件描述符中的一个或多个以及准备好进行I/O时函数才返回。
  • 函数返回时告诉进程那个描述符已就绪，可以进行I/O操作

 

#include <sys/select.h>

int fd_num = -1; // 一般使用一个计数器计算集合中的文件描述符数量

void FD_ZERO(fd_set *fdset); // 将集合清零

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); // 将关心的文件描述符加入到集合中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); // 将某个文件描述符从集合中清除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 判断fd是否在set集合中

int select(int nfds, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds,
               fd_set *restrict errorfds, struct timeval *restrict timeout);
// nfds 传入 fd_num+1 表示最大集合数
// 这三个集合如果需要传入 不需要则可以传NULL
// readfds 读集合
// writefds 写集合
// errorfds 异常集合
// timeout 超时等待
// struct timeval 
/*
_STRUCT_TIMEVAL
{ 
    __darwin_time_t         tv_sec;         /* seconds */ 秒
    __darwin_suseconds_t    tv_usec;        /* and microseconds */ 毫秒
};
*/

 

Demo：多路复用模型

#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    fd_set rset; // 创建读集合
    int max = -1;
    int fd = -1; // 句柄
    struct timeval timeout;
    // socket 连接省略...
    // bind 省略...
    // listen 省略...
// 如果循环是要一直执行如下操作
    FD_ZERO(&rset); // 将集合清零
    FD_SET(fd, &rset); // 将创建好的fd加入到读集合中
    max++; // 计数器+1
    // 依次将其他连接的fd加入... 省略
    // 设置超时时间 为5s
    timeout.tv_sec = 5;
    timeout.tv_usec = 0;
    // 使用select监控
    select(max + 1, &rset, NULL, NULL, &timeout);
    // 依次判断select监控后的rset
    // 例如:fd
    // 现在的rset集合中存放的是已经就绪的描述符 所以需要依次判断 手上的描述符是否存在于集合中
    if (FD_ISSET(fd, &rset)) {
        // 已经准备就绪 做一些该做的操作
    }
    // if (FD_ISSET(fd2,&rset)){
    //        // 已经准备就绪 做一些该做的操作
    //    }
    // ...
}