五种IO模型总结

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1.提高IO效率的本质

当我们了解了传输层TCP协议的数据缓冲区之后，对用户层的IO就有了一个新的理解，其实用户层调用send等函数发送数据的过程其实是向发送缓冲区中写数据的过程，而调用recvform的过程其实就是向接收缓冲区中读取的过程。而真正什么时候发送数据以及怎么发数据其实是由传输层决定的，即由OS来决定的。
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因此我们发现我们所说的IO其实就是缓冲区的读写，而缓冲区的读写的过程分为两个内容：等待+拷贝数据。当缓冲区数据就绪的时候，应用层就可以从缓冲区中拷贝数据或者向缓冲区中发送数据了；当缓冲区没有就绪的时候就需要应用层来进行等待了。
因此我们提高IO的效率其实就是研究两个部分即：改变等待的方式与减少等待的比重。

2.五种IO模型

我们将IO模型与钓鱼的例子结合起来，方便理解。

2.1阻塞等待

第一个人去钓鱼，全程盯着鱼鳔看，一旦鱼鳔下沉则把鱼捞出。这种情况称为阻塞等待，即就绪条件不满足，就一直等待。
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此时recv发挥了两个作用:

第一当数据报没有准备好的时候进行等待；
第二当数据报准备好之后进行拷贝。

2.2非阻塞等待

第二个人去钓鱼，隔一段时间看一次鱼鳔，当某一次看到鱼鳔沉下去的时候再来鱼竿。这种情况称为非阻塞等待，在等待期间可以去做其他的事情。
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在这里经过不断调用recvfrom来查询状态，当状态没有就绪的时候应用层还可以做其他的事情。

2.3信号驱动

第三个人去钓鱼，他改造了鱼竿，当鱼鳔下沉的时候鱼竿上的铃铛会响，然后这个人就会抬起鱼竿。即不会主动对就绪状态进行检测，而是当就绪之后由内核来通知，这一IO过程称为信号驱动。
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这里的recvfrom只做一项工作，即读缓冲区，在数据报没有准备好之前，用户和内核之间是异步状态。我们也可以查看一下这个SIGIO的信号，是29号信号。可以使用自定义捕捉来完成一些需求。
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2.4多路转接

有一个很享受钓鱼过程的富豪来钓鱼，他在河边放了100个鱼竿，并告诉他的佣人定时轮询这100个鱼竿，一旦发现哪个鱼竿的鱼鳔下降了，立刻通知我，然后富豪来抬起那个鱼竿。这种方式是效率最高的方式。我们可以站在鱼的角度，100个鱼竿上钩的概率大大增加。我们称这种方式为多路转接。
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再强调一遍，IO的过程其实就分为两个部分，一个是等的部分，一个是拷贝的部分。在多路转接这里，select的作用相当于佣人就是在等。然后告诉recvfrom哪个好了，recvfrom的作用就只有拷贝。

2.5异步等待

此时又有一个富豪，他有一个佣人，他让他的佣人去钓鱼，钓鱼的方式他并不关心，他给了佣人钓鱼工具，一个桶和一个电话。当佣人将鱼装满桶之后给他打电话，富豪就离开了。富豪全过程都没有进行参与。这种方式称为异步IO。
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当内核中拷贝完成之后，直接递交在aio_read中的指定信号中，用户对数据进行处理即可。

2.6补充概念

2.6.1同步与异步IO

前四种情况，钓鱼者参与了等或者钓鱼的过程，称为同步通信。最后一种情况，钓鱼者没有参与钓鱼的过程称为异步通信。

所谓同步，就是在发出一个调用的时候，在没有得到结果之前，该调用就不返回，但是一旦调用返回，就得到返回值了；换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。
异步则是相反的，调用发出之后，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之后，调用者不会立刻得到结果；而是在调用发生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。

2.6.2阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待结果时候的状态。

阻塞调用：指调用结果返回之前，当前进程会被挂起，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进程。

2.6.3事件就绪

事件就绪指的是缓冲区中的数据达到一定的阈值，此时上层就可以进行读写缓冲区了。不过决定权在上层，上层可以选择不读，不读的话一定不是一个好的代码。

3.实现非阻塞IO

3.1fcntl函数介绍

大部分情况下都是阻塞IO，比如read函数就是一个阻塞IO，我们可以通过fcntl函数来将阻塞IO变成非阻塞IO。
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当成功返回大于0的数(表示某一种含义)，失败返回-1。第一个参数代表文件描述符，第二个参数代表功能，cmd不同，该函数的功能也不同,最后一个参数是可变参数扩展，用于指定具体的功能。

F_DUPFD:复制一个现有的描述符。
F_GETFD或F_SETFD:获得/设置文件描述符标记。
F_GETFG或F_SETFL:获得/设置文件状态标记。
F_GETOWN或F_SETOWN:获得/设置异步IO的所有权。
F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW:获得/设置记录锁。

我们这里只设置第三个功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞。同时需要将可变参数扩展在原来状态基础上或上O_NONBLOCK注意fcntl是设置某一个文件的状态而不是某一个函数。设置之后关于这个文件的所有IO都要变为非阻塞状态。

3.2设置为非阻塞状态

3.2.1阻塞等待代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    while(1)
    {
        char buffer[1024];
        ssize_t s=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            write(1,buffer,strlen(buffer));
            printf("read success,s:%d,errno:%d",s,errno);
        }
    }
}

这就是一个简单的从键盘读，再向显示器打印的程序(Linux一切皆文件，所以也是一个IO的过程)，如果缓冲区没有数据(键盘没有输入)，那么就不会读取。即需要手动使用\n来刷新缓冲区。

3.2.2改写成非阻塞等待代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
void SetNonBlock(int fd)
{
    int f1=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(f1<0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,f1|O_NONBLOCK);
}
int main()
{
    errno=0;
    SetNonBlock(0);
    while(1)
    {
        sleep(1);
        char buffer[1024];
        ssize_t s=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            write(1,buffer,strlen(buffer));
            printf("read success,s:%d,errno:%d\n",s,errno);
        }
        else 
        {
            if(errno==EAGAIN||errno==EWOULDBLOCK)
            {
                printf("数据没有准备好\n");
                printf("errno:%d\n",errno);
                continue;
            }
            else
            {
                printf("read error\n");
            }
        }
    }
}

因为数据没有准备好和读出错的时候，显示器上都不会有数据，所以我们引入errno来进行区分，当errno的值为EAGAIN或者EWOULDBLOCK的时候，说明是没有准备好。否则是读出错，我们可以运行程序来观察errno的值：
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发现他的值是11，但是当读入成功之后值还是11，其实这里应该改为0的，但是可能是系统觉得read的返回值可以说明一切了就没有修改这个errno，errno的初始值是0，当数据没有准备好就被改成了11。

posted @ 2022-09-24 20:28  卖寂寞的小男孩  阅读(57)  评论(0)    收藏  举报