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前面第一节我们学习了对IO的open、read、write等阻塞式文件操作，这一篇我们将会学习对IO的一些高级操作。 2019/04/30 20:51
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一、非阻塞IO的引入
1、阻塞与非阻塞
- a） 函数操作文件时，因文件类型而阻塞，阻塞与函数本身无关
·读某些文件：由于数据不存在会导致调用者永远阻塞
读管道文件：管道是进程间通信用的特殊文件，读管道时，如果管道中并无数据会导致
对管道的读操作会阻塞。
- b) 写某些文件：在写某些文件时，当文件不能立即接收写入的数据时，也可能会导致
- c) 某些函数本身就是阻塞的
wait、pause、sleep等函数以及某些进程间通信的函数（如当消息队列的消息接受函数设置了阻塞时），这些函数调用本身就是阻塞的
2、如何修改阻塞为非阻塞
通过前面的学习，我们知道某些文件默认打开后默认对文件的操作就是阻塞的，但是利用对文件描述符设置，可将其操作设置为非阻塞的，主要的方法有如下两种：
- 1）打开文件时指定非阻塞，以非阻塞的方式打开标准输入文件（O_NONBLOCK函数，指定为了非阻塞）
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int main(void){ int fd = -1; fd = open("/dev/stdin", O_RDONLY|O_NONBLOCK); if(fd < 0){ perror("open stdin is fail"); exit(-1); } return 0; } |
- 2）将已经打开了的文件描述符设置为非阻塞的
（用fcntl函数进行设置，具体可查看第一节对fcntl函数的梳理）
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int main(void) { int fd = -1, flag = -1; /* F_GETFL：获取描述符原有状态给flag的命令，目的是为了保护原有的状态 * STDIN_FILENO：指向标准输入文件的文件描述符0 */ flag = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL); flag |= O_NONBLOCK;//将原有文件状态 | 非阻塞标志 //将修改后的包含了非阻塞标志的新状态重新设置回去 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flag); return 0; } |
二.阻塞式IO的困境（举例）
1、程序中读取键盘
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int main(void) { // 读取键盘 // 键盘就是标准输入，故为0号文件描述符，stdin char buf[100]; memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before read.\n"); read(0, buf, 5); printf("读出的内容是：[%s].\n", buf); return 0; } |
2、程序中读取鼠标
我们鼠标的驱动文件如下：当查看mouse1,移动鼠标，并没有数据，当查看mouse0时，有乱码的数据，故我们的鼠标设备文件为：mouse0
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int main(void) { // 读取鼠标 int fd = -1; char buf[200]; fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open:"); return -1; } memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before read.\n"); read(fd, buf, 50); printf("读出的内容是：[%s].\n", buf); return 0; } |
3、程序中同时读取键盘和鼠标
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int main(void) { // 读取鼠标 int fd = -1; char buf[200]; fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open:"); return -1; } memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before 鼠标 read.\n"); read(fd, buf, 50); printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); // 读键盘 memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before 键盘 read.\n"); read(0, buf, 5); printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf); return 0; } |
4、问题分析
(程序上设计是先读取鼠标，再读取键盘)，如果顺序用反了，会怎么样？？？
运行程序时由于先读的是鼠标，它阻塞了键盘，所以我们先键盘敲入数据是没有用的，当移动鼠标后，鼠标数据打印出来，这时进程又阻塞在了读鼠标处，所以此时移动鼠标是没有用的，这时必须键盘敲入数据，才能回到读鼠标处（标准输入处），由于鼠标数据是整形的坐标值，所打印出来是乱码。
所以，我们先输入键盘后鼠标，则会出错，这就是阻塞式IO的问题
那么怎么解决这个问题纳，那就得引入并发式IO的解决方案了。
三.并发式IO的解决方案
1、非阻塞式IO
上面我们知道，键盘和鼠标的读导致了相互的阻塞，我们输入时并不通畅，现在我们将它们都改为非阻塞的，那么它们就不会相互阻塞，输入就会变得通畅
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int main(void) { // 读取鼠标 int fd = -1; char buf[200]; int flag=-1; int ret=-1; fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY | O_NONBLOCK); if (fd < 0) { perror("open:"); return -1; } //F_GETFL：获取描述符原有状态给flag的命令，目的是为了保护原有的状态 // STDIN_FILENO：指向标准输入文件的文件描述符0 flag = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL); flag |= O_NONBLOCK;//将原有文件状态 | 非阻塞标志 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flag);//将修改后的包含了非阻塞标志的新状态重新设置回去
while(1) { //读鼠标 memset(buf, 0, sizeof(buf)); //printf("before 鼠标 read.\n"); ret=read(fd, buf, 50); if(ret>0) //>0，表示已经接收到数据 { printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); } // 读键盘 memset(buf, 0, sizeof(buf)); //printf("before 键盘 read.\n"); ret=read(0, buf, 5); if(ret>0) { printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf); }
} return 0; } |
这么设置后，鼠标和键盘不再相互阻塞，所以运行这个程序时不必再忌讳谁先输入的问题了，谁先输入都可以。
只是这种非阻塞会导致进程时刻都处在循环的，这种轮询的机制会非常的消耗cpu资源，并不提倡这方法
2、利用两个进程实现同时读键盘和鼠标
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int main(void) { char buf[100] = {0}; int fd = -1, ret = -1;
/* 开两个进程，父进程读鼠标，子进程读键盘 */ ret = fork(); if(ret == 0)//为0，表示还没有接收到东西 { while(1) { /* 读键盘 */ memset(buf, 0, sizeof(buf)); ret=read(0, buf, 5); if(ret > 0) {printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);} } } else if(ret > 0) { fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY |O_NONBLOCK); if(fd < 0) { perror("open error"); return -1; } while(1) { /* 读鼠标 */ memset(buf, 0, sizeof(buf)); ret = read(fd, buf, 50); if(ret > 0) {printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); } } } return 0; } |
我们打开两个进程，一个进程读键盘，一个进程读鼠标，由于进程本身就是迸发同时向前运行的，所以这里再也不需要将键盘和鼠标设置为非阻塞，这种多进程的方法，进程之间切换也是很耗费资源的，并且当程之间需要相互共享资源的话，这就需要加入进程间通信机制，这就会使得我们的程序变得更加的复杂。
3、多路复用IO
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IO多路复用原理
其基本思想是构造一个文件描述符的表，在这个表里面存放了阻塞的文件描述符，然后调用多路复用函数，该函数每隔一段时间会去检查一次，看表中是否有某个或几个文件描述符有动作，没有就休眠一段时间，再隔一段再去检查一次，如果其中的一个或多个文件名描述符有了动作，函数返回不在休眠，将分别对其有动作的文件描述符做相应操作。
实际上多路复用本身也存在轮询检查过程，但是绝大部分时间却是在休眠，所以就避免了一般的轮询机制，以及多进程实现所带来的相当的资源损耗。多路复用原理如下图所示：
注意：一般情况下集合中都设置阻塞的文件描述符，设置非阻塞的描述符是没有意义的。
外部阻塞式，内部非阻塞式自动轮询多路阻塞式IO
·select机制；
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select函数
1）、函数原型和所需头文件
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#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask); |
2）、函数功能
这两个函数都是为了实现多路复用，但是这两个函数都能够被信号中断，pselect函数能够通过sigmask参数屏蔽掉那些我们不希望中断pselect系统函数的信号。
3）、函数参数
·int nfds：readfds, writefds, exceptfds这三个集合中最大描述符+1（因为描述符是从0算起的），用以说明需要关心描述符的范围，这个范围必须包含所有集合中的文件描述符。
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·fd_set *readfds：读集合，设置读会阻塞的描述符。 ·fd_set *writefds： 写集合，设置写会阻塞的描述符。 ·fd_set *exceptfds： 设置异常描述符的集合。 ·struct timeval *timeout：成员结构如下： struct timeval { long tv_sec; /* seconds（秒） */ long tv_usec; /* microseconds （微秒）*/ }; |
（1）该参数填NULL表示不设置超时，这种情况下如果没有描述符响应，同时也没有 信号中断的话则永远阻塞。
（2）如果需要设置超时，则需填写设置了时间结构体的地址，如果没有描述符响应，但设置的时间却到了，立即返回而不再阻塞。
4)、函数返回值
·返回-1：说明函数调用失败，errno被设置。
·返回0：超时时间到并且没有一个描述符有响应，返回0说明没有一个描述符准备好。
·返回值>0：返回有响应的文件描述符的数量。
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select函数测试用例
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int main(void) { // 读取鼠标 int fd = -1; char buf[200]; int ret=-1; fd_set myset; struct timeval tim; fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY | O_NONBLOCK); if (fd < 0) { perror("open:"); return -1; } // 当前有2个fd，一个是fd：用于鼠标，一个是标准输入0 键盘 /* 设置读集合，设置操作必须放在循环内 */ FD_ZERO(&myset); //清空读集合 FD_SET(fd, &myset); //将fd设置到读集合中 FD_SET(0, &myset);//将标准输入0也设置到读集合中 /* 设置超时时间，设置必须放在循环内 */ tim.tv_sec= 3; //秒 tim.tv_usec= 0; //微秒
/* -如果集合中没有描述符响应 * 1.如果第四个参数被设为NULL，select将一直阻塞知道集 * 合中描述符有响应为止 * 2.如果第四个参数设置了超时时间，时间到则函数超时返回 * -如果集合中有一个或多个描述符响应，则集合被内核重新设 * 置，用于存放有响应的描述符，设置的超时时间也被清空*/ ret = select(fd+1, &myset, NULL, NULL, &tim); if (ret < 0)//说明函数调用失败，errno被设置 { perror("select: "); return -1; } else if (ret == 0)//返回0说明没有一个描述符准备好。 { printf("超时了\n"); } else //返回有响应的文件描述符的数量 { // 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理之 if (FD_ISSET(0, &myset)) { // 这里处理键盘 memset(buf, 0, sizeof(buf)); read(0, buf, 5); printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf); } if (FD_ISSET(fd, &myset)) { // 这里处理鼠标 memset(buf, 0, sizeof(buf)); read(fd, buf, 50); printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); } }
return 0; } |
·Poll机制；
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poll函数
实际上poll机制，与select差不多，只是具体调用的实现不一样，与select 不同，poll不是为每个条件构造一个描述符集，而是构造一个 pollfd结构数组，每个数组元素指定一个描述符编号以及对其所关心的条件。
1）、函数原型和所需头文件
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#include <poll.h> int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask); |
2）、函数功能
·这两个函数都是为了实现多路复用，这两个函数都能够被信号中断，但是ppoll函数能够通过sigmask参数屏蔽掉那些我们不希望中断ppoll系统调用的信号。
3）、函数参数
·struct pollfd *fds：struct pollfd结构体数组，每个数组成员设置了我们需要多路IO操作的每个描述符，该结构体成员结构如下：
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struct pollfd { int fd; /* file descriptor：文件描述符 */ short events; /* requested events：设置我们希望发生的事件 */ short revents; /* returned events ：实际发生的事件*/ }; |
·nfds_t nfds：结构体数组struct pollfd *fds的成员数量。
·int timeout：超时时间，单位为毫秒，如填写为3000，表示3秒超时，如果不希望设置超时，该参数填写负数（如-1）即可。
poll的events和revents标志的设置如下表：
4)、函数返回值
·返回-1：说明函数调失败，errno被设置。
·返回0：超时时间到并且没有文件描述符有响应。
·返回值>0：返回有响应的文件描述符的数量。
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poll函数测试用例
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int main(void) { // 读取鼠标 int fd = -1, ret = -1; char buf[200]; struct pollfd myfds[2] = {0}; fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY| O_NONBLOCK);//打开鼠标 if (fd < 0) { perror("open:"); return -1; } /*向数组中设置设置需要多路监听的描述符，设置只需要设置一次就行 */ // 初始化我们的pollfd myfds[0].fd = 0; // 键盘 标准输入IO myfds[0].events = POLLIN; // 等待读操作 myfds[1].fd = fd; // 鼠标 myfds[1].events = POLLIN; // 等待读操作
/* myfds：struct pollfd结构提数组，fd+1：需要多路监听的数量，3000：超时时间 3秒*/ ret = poll(myfds, fd+1, 3000); if (ret < 0)//说明函数调失败，errno被设置。 { perror("poll: "); return -1; } else if (ret == 0)//超时时间到并且没有文件描述符有响应。 { printf("超时了\n"); } else //返回有响应的文件描述符的数量 { // 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理 //判断键盘是否有输入要求 if (myfds[0].events == myfds[0].revents) { // 这里处理键盘 memset(buf, 0, sizeof(buf)); read(0, buf, 5); printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf); } //判断鼠标是否有输入要求 if (myfds[1].events == myfds[1].revents) { // 这里处理鼠标 memset(buf, 0, sizeof(buf)); read(fd, buf, 50); printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); } }
return 0; } |
当描述符有响应时，revents会被内核填写响应的类型，如events==revents，说明这个响应是我们希望的响应，利用该文件描述符实现相应操作，否则就不是我们希望的响应。
4、异步通知（异步IO）
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何为异步IO
所谓异步io就是，当某个事件准备好，进程会被发送一个SIGIO的异步信号，进程受到这个信号的通知后，会调用信号处理函数去处理事件，在事件没有准备好时，进程并不需要轮询事件或者阻塞等待事件，进程可以忙自己的事情直到等到别人发送异步信号SIGIO通知某事件发生。
异步IO有点类似于中断响应系统，而发送异步信号SIGIO通知某事件发生====响应中断并执行中断服务函数。
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异步IO设置的步骤如下：
(1) 调用signal或sigaction为该信号建立一个信号处理程序。
(2) 以命令F_SETOWN调用fcntl来设置接收信号进程PID和进程组GID。
(3) 以命令F_SETFL调用fcntl设置O_ASYNC状态标志，使在该描述符上可以进行异步I/O。第3步仅用于指向终端或网络的描述符
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char buf[200]; int myfd = -1;
void func(int sig); /*绑定SIGIO信号，在函数内部处理异步通知事件，类似于硬件中断服务函数*/ void func(int sig) { if(sig !=SIGIO) { return; } memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before 鼠标 read.\n"); read(myfd, buf, 50); printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf); }
int main(void) { // 读取鼠标 int flag = -1; myfd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY); if (myfd < 0) { perror("open:"); return -1; } //设置异步IO通知 //①把鼠标的文件描述符设置为可以接收异步IO flag = fcntl(myfd, F_GETFL); flag |= O_ASYNC; fcntl(myfd, F_SETFL, flag); //②设置当前进程获取SIGIO信号 fcntl(myfd, F_SETOWN, getpid()); //③设置当前进程的捕获SIGIO信号 signal(SIGIO, func); /*有了以上的设置，则对鼠标的异步IO处理设置已经搞定 */ while(1) { // 读键盘 memset(buf, 0, sizeof(buf)); printf("before 键盘 read.\n"); read(0, buf, 5); printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf); } return 0; } |
5、存储映射IO
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1、存储映射的好处
存储映射I/O使一个磁盘文件与虚拟存储空间中的一段缓存相映射。于是当从缓存中取数据，就相当于读文件中的相应字节。与其类似，将数据存入缓存，则相应字节就自动地写入文件。这样，就可以在不使用read和write的情况下执行I/O。
可以理解为，建立一个缓存区，这个缓存区就是真实需要访问的数据区的影子，不占用任何实际物理空间，当对这个“影子缓存区操作”，即是对真实文件的读写操作
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2、存储映射IO的特点
(1)共享而不是复制，减少内存操作
(2)处理大文件时效率高，小文件不划算
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3、存储映射IO需要使用mmap函数，这里，我们暂不学习。
参考博文注明：https://www.cnblogs.com/tshua/p/5763744.html