IO模型_阻塞_非阻塞_多路复用-EW帮帮网

在了解IO模型前，先了解什么叫IO，IO得操作是怎么样的？

IO既输入输出，指的是一切操作程序或设备与计算机之间发生的数据传输的过程。它分为IO设备和IO接口两个部分。

IO设备：就是指可以与计算机进行数据传输的硬件。最常见的I/O设备有打印机、硬盘、键盘和鼠标。从严格意义上来讲，它们中有一些只能算是输入设备（比如说键盘和鼠标）；有一些只是输出设备（如打印机）。
IO接口：就是是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

IO的五种模型

在这里插入图片描述

阻塞与非阻塞IO

在这里插入图片描述

你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了，当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。
在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

往一个文件中写数据需要几个步骤：

1.opne()、2.write(){系统调用，要想写磁盘，把数据给write让write帮自己写(把数据给内核，这个过程叫用户态下沉到内核态)，内核(内核里面还有缓冲IO,快缓冲(攒了一会再写)、直接IO)拿到数据(BUff)在写道磁盘当中，当写的过程中内核需要调度底层IO}、3.close()

fcntl(int fd, int cmd, …/* arg */);
1. 复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD).
2. 获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
3. 获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
4. 获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
5. 获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).

阻塞(Block)/非阻塞(NonBlock) 场景描述

阻塞:你和你的女朋约好再外面电话亭(文件)见面，你们就是数据,你就去了电话亭就再哪一直等等等！！！，你怕你走了她就来了，你就再那干等了10分钟。

非阻塞：你和你的女朋约好再外面电话亭(文件)见面，你们就是数据,你就去了电话亭没看到你的女朋友(拿到一个-1)，(假如你们要恰饭)你就直接走了去恰饭。为了我们的关系我过一会我就看一下比如10分钟或者1秒(这叫轮询)

common.c

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

// 非阻塞
int make_nonblock(int fd) {
    int flag;
    flag = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(flag < 0) {
        return -1;
    }

    // O_NONBLOCK 位掩码
    flag |= O_NONBLOCK;
    return fcntl(fd, F_SETFL, flag);
}

// 解除非阻塞
int make_block(int fd) {
    int flag;
    flag = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(flag < 0) {
        return -1;
    }

    flag &= ~ O_NONBLOCK;
    return fcntl(fd, F_SETFL, flag);
}

阻塞IO(Block)

阻塞：往往需要等待缓冲区中的数据准备好过后才处理其他的事情，否则一直等待在那里。（浪费时间）

正常写的程序基本都是阻塞

非阻塞IO(NonBlock)

设置标准输入为非阻塞

#include "5.common.c"

int main() {
    int age;

    /*
     * 默认 0、1、2 三个文件描述符是从父亲哪继承过来的
     * 我们称他们为：标准输入、标准输出、标准错误
     */
    make_nonblock(0);
    int ret = scanf("%d", &age);
    printf("ttw is %d years old! <%d>\n", age, ret);

    perror("scanf");
    return 0;
}

运行结果

scanf retValue是-1 那么 -1 是什么意思用perror打印查看什错误

scanf：是成功读入的个数，返回 -1 出错
perror(“scanf”): 资源的临时是不可访问的(想要从一个空的输入流中捞出一个数据，显然是没有的，但是又是非阻塞的也不能等所以返回 -1)

ttw is -99424160 years old! <-1> 
scanf: Resource temporarily unavailable

想办法怎么让程序读到数据？(标准输入-O_NONBLOCK)

简答猜想？

加上sleep(5)这前5秒标准输入流打开了么？

再等待的5秒中之前输入123，scanf()读到了，意味着什么标准输入流打不打开有没有数据过去跟scanf没有关系，没有scanf标准输入流中的数据该去还是得去，只是这个数据有没有被收走，只要是非阻塞IO只要有数据我就可以直接把他拿走。

/*************************************************************************
        > File Name: 6.test_nonblock.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年10月01日 星期六 19时50分04秒
 ************************************************************************/

#include "5.common.c"

int main() {
    int age;
    make_nonblock(0);
    sleep(5); // 让程序睡觉了 — 数据已经冲到家门口了 — 不占用CPU
    int ret = scanf("%d", &age);
    printf("ttw is %d years old! <%d>\n", age, ret);
    perror("scanf");
    return 0;
}

运行结果

123 // 等待5秒前输入
// 输出结果
ttw is 123 years old! <1>
scanf: Success

SELECT()

select的函数格式：

// 最大文件描述符 + 1, 读、写、异常、阻塞（睡觉啥也不干）

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

解释一下各个参数的意思:

- 参数:
    - nfds: 委托内核的检测最大文件描述符的值 + 1
    - readfds: 要检测的文件描述符的读的集合,委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
        - 一般检测读操作
            - 对应的是对方发送来的数据, 因为读被的接收数据, 检测的就是读缓冲区
            - 是一个传入传出参数 
        - fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作:
        	 - FD_ZERO(fd_set *fdset)：清空fdset与所有文件句柄的联系。 
			- FD_SET(int fd, fd_set *fdset)：建立文件句柄fd与fdset的联系。 
			- FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)：清除文件句柄fd与fdset的联系。 
			- FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)：检查fdset联系的文件句柄fd是否可读写，>0表示可读写。 
    - writefds: 要检测的文件描述符的写的集合, 委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
        - 委托内核检测写缓存区是不是还可以写数据 (不满就可以写)
    - exceptfds: 检测发生异常的文件描述符的集合
    - timeout:  要设置的超时时间
        struct timeout {
            long tv_sec; /* seconds 秒 */
            long tv_usec; /* microseconds 微秒 */
        }
        - 值为 NULL: 永久阻塞, 直到检测到了文件描述符的变化
        - tv_sec = 0, tv_usec: = 0 : 表示不阻塞
        - tv_sec > 0, tv_usec: > 0 : 阻塞对应的时间
    - 返回值:
        -1: 失败
        > 0 (n): 检测的集合中n个文件描述符发生了变化

主旨思想:

1 .首先要构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中。

调用系统函数(select), 监听该列表中的文件描述符,直到这些描述符中的一个或者多个进行I\O操作时, 该函数才会返回

a. 这个函数是阻塞的

b. 函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成

在返回时, 它会告诉进程有多少(哪些)描述符要进行I/O操作

FD_SETSIZE 它指定最大描述符数（通常是1024），一个整数占4个字节，既32位，那么就是用包含32个元素的整数数组来表示文件描述符集。我们可以在头文件中修改这个值来改变select使用的文件描述符集的大小，但是必须重新编译内核才能使修改后的值有效。当前版本的unix操作系统没有限制FD_SETSIZE的最大值，通常只受内存以及系统管理上的限制。

在这里插入图片描述

select 缺点：

每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大。
同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大。
select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024。
fds集合不能重用，每次都需要重置。

/*************************************************************************
        > File Name: 7.select.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年10月02日 星期日 14时12分04秒
 ************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval;

    /* Watch stdin (fd 0) to see when it has input. */

    FD_ZERO(&rfds);
    FD_SET(0, &rfds);

    /* Wait up to five seconds. */

    tv.tv_sec = 5;
    tv.tv_usec = 0;

    retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
    /* Don't rely on the value of tv now! */

    if (retval == -1)
        perror("select()");
    else if (retval)
        printf("Data is available now.\n");
        /* FD_ISSET(0, &rfds) will be true. */
    else
        printf("No data within five seconds.\n");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

真的理解了么？小问题

上述代码运行，输入ls或者任意(123)，为什么会出现一下现象？

qz@DESKTOP-FH4203J IO % ./a.out                   
123
Data is available now.
qz@DESKTOP-FH4203J IO % 123                       
zsh: command not found: 123

./a.out 感知到了数据到来 IO感知 select没收

就好比说你雇了一个人，看着电话亭你女朋友是否来了来就打电话告诉你，但是你女朋友来了看着的人给你打电话了，但是你女朋友还再电话亭里面等着，这时候就你能不能到就看你自己了，所以说如果你没有接走被别人接走了（程序死了，被zsh接走了），

修改程序，刚才那种显示结果就不会出现了

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval;

    /* Watch stdin (fd 0) to see when it has input. */

    FD_ZERO(&rfds);
    FD_SET(0, &rfds);

    /* Wait up to five seconds. */

    tv.tv_sec = 5;
    tv.tv_usec = 0;

    retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
    /* Don't rely on the value of tv now! */

    if (retval == -1)
        perror("select()");
    else if (retval) {
        char buff[512] = {0};
        printf("Data is available now.\n");
        scanf("%s", buff);
    }
        /* FD_ISSET(0, &rfds) will be true. */
    else
        printf("No data within five seconds.\n");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

poll()

#include <poll.h>
struct pollfd {
	int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */
	short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
	short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */
};

struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
	- 参数：
		- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，这是一个需要检测的文件描述符的集合
		- nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
		- timeout : 阻塞时长(毫秒)
			0 : 不阻塞
			-1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞
			>0 : 阻塞的时长
	- 返回值：
		-1 : 失败
		>0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

在这里插入图片描述

poll 缺点：

每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大。
同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大。
~~select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024.~~
~~fds集合不能重用，每次都需要重置。~~

epoll

#include <sys/epoll.h>
// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据，一个是需要检测的文件描述符的信息（红黑树），还有一个是就绪列表，存放检测到数据发送改变的文件描述符信息（双向链表）。
int epoll_create(int size);
	- 参数：
		size : (以前是使用哈希实现的需要用到size)目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0
	- 返回值：
		-1 : 失败
		> 0 : 文件描述符，操作epoll实例的
            
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
    uint32_t events; /* Epoll events */
    epoll_data_t data; /* User data variable */
};

常见的Epoll检测事件：
    - EPOLLIN
    - EPOLLOUT
    - EPOLLERR
    ... ... 
    
// 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
	- 参数：
		- epfd : epoll实例对应的文件描述符
		- op : 要进行什么操作
            EPOLL_CTL_ADD: 添加
            EPOLL_CTL_MOD: 修改
            EPOLL_CTL_DEL: 删除
        - fd : 要检测的文件描述符
        - event : 检测文件描述符什么事情
// 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int
timeout);
	- 参数:
    - epfd : epoll实例对应的文件描述符
    - events : 传出参数，保存了发送 了变化的文件描述符的信息
    - maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
    - timeout : 阻塞时间
        -  0  : 不阻塞
        - -1  : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞
        - > 0 : 阻塞的时长（毫秒）
    - 返回值:
        - 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
        - 失败 -1

Epoll 的工作模式：

LT 模式（水平触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

a.用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知

b.用户只读了一部分数据，epoll会通知

c.缓冲区的数据读完了，不通知

LT（level - triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 nonblock, socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

ET 模式（边沿触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

a.用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了

b.用户只读了一部分数据，epoll不通知

c.缓冲区的数据读完了，不通知

ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 nonblock, socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。 ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll 工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

struct epoll_event {
    uint32_t events; /* Epoll events */
    epoll_data_t data; /* User data variable */
};
常见的Epoll检测事件：
    - EPOLLIN
    - EPOLLOUT
    - EPOLLERR
    - EPOLLET // 边沿触发

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IO模型_阻塞_非阻塞_多路复用

在了解IO模型前，先了解什么叫IO，IO得操作是怎么样的？

IO的五种模型

阻塞与非阻塞IO

阻塞(Block)/非阻塞(NonBlock) 场景描述

common.c

阻塞IO(Block)

非阻塞IO(NonBlock)

设置标准输入为非阻塞

运行结果

想办法怎么让程序读到数据？(标准输入-O_NONBLOCK)

运行结果

SELECT()

select的函数格式：

解释一下各个参数的意思:

真的理解了么？小问题

修改程序，刚才那种显示结果就不会出现了

poll()

epoll

Epoll 的工作模式：

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