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五种IO模型与阻塞IO

news 2025/4/30 21:59:57

一、前言

在网络中通信的本质其实是网络中的两台主机的进程间进行通信，而进程通信的本质就是IO。

IO分为输入（input）和输出（output）
站在进程的角度讲，进程出去数据为输出，外部数据进入进程为输入
站在内存的角度讲，OS的数据流入硬件为输入，硬件的数据流入OS为输出

通常我们进行IO要使用的recv、send、read、write等函数，他们的工作其实分为两步等+拷贝数据

任何 IO 过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间. 让 IO 更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少.

二、五种 IO 模型

阻塞 IO:

在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式.

非阻塞 IO:

如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回 EWOULDBLOCK 错误码.

非阻塞 IO 往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对 CPU 来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用

信号驱动 IO:

内核将数据准备好的时候, 使用 SIGIO 信号通知应用程序进行 IO 操作.

IO 多路转接:

虽然从流程图上看起来和阻塞 IO 类似. 实际上最核心在于 IO 多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.

异步 IO:

由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

三、同步通信 vs 异步通信

同步和异步关注的是消息通信机制

所谓同步，就是在发出一个调用时，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，调用在发出之后，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后，调用者不会立刻得到结果; 而是在调用发出后，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.

另外, 我们回忆在讲多进程多线程的时候, 也提到同步和互斥. 这里的同步通信和进程之间的同步是完全不相干的概念.

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系
是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系. 尤其是在访问临界资源的时候.

四、阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 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线程.

非阻塞 IO

C
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

传入的 cmd 的值不同, 后面追加的参数也不相同.

fcntl 函数有 5 种功能:

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.

获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD).
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL).
获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN).
获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW).

我们此处只是用第三种功能, 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.

实现函数 SetNoBlock

基于 fcntl, 我们实现一个 SetNoBlock 函数, 将文件描述符设置为非阻塞.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNoBlock(int fd) 
{int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main() {SetNoBlock(0);while (1) {char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0) {perror("read");sleep(1);continue;}printf("input:%s\n", buf);}return 0;
}