Linux 五种 IO 模型

参数说明：

• fd：已经打开的文件描述符。
• cmd：需要进行的操作。
• …：可变参数，传入的 cmd 值不同，后面追加的参数也不同，cmd 取值如下：
  • 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）。

返回值说明：

• 如果函数调用成功，则返回值取决于具体进行的操作。
• 如果函数调用失败，则返回 -1，同时错误码会被设置。

（3）封装 SetNonBlock 函数

我们可以封装一个函数，该函数就用于将指定的文件描述符设置为非阻塞状态。

1. 先调用 fcntl 函数获取该文件描述符对应的文件状态标记（这是一个位图），此时调用 fcntl 函数时传入的 cmd 值为 F_GETFL。
2. 在获取到的文件状态标记上添加非阻塞标记 O_NONBLOCK，再次调用 fcntl 函数对文件状态标记进行设置，此时调用 fcntl 函数时传入的 cmd 值为 F_SETFL。

代码如下：

bool SetNonBlock(int fd) {
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0){
        std::cerr << "fcntl error" << std::endl;
        return false;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
    return true;
}

需要注意的是，当 read 函数以非阻塞方式读取标准输入时，如果底层数据不就绪，那么 read 函数就会立即返回，但当底层数据不就绪时，read 函数是以出错的形式返回的，此时的错误码会被设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

因此在以非阻塞方式读取数据时，如果调用 read 函数时得到的返回值是 -1，此时还需要通过错误码进一步进行判断，如果错误码的值是 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK，说明本次调用 read 函数出错是因为底层数据还没有就绪，因此后续还应该继续调用 read 函数进行轮询检测数据是否就绪，当数据继续时再进行数据的读取。

此外，调用 read 函数在读取到数据之前可能会被其他信号中断，此时 read 函数也会以出错的形式返回，此时的错误码会被设置为 EINTR，此时应该重新执行 read 函数进行数据的读取。

因此在以非阻塞的方式读取数据时，如果调用 read 函数读取到的返回值为 -1，此时并不应该直接认为 read 函数在底层读取数据时出错了，而应该继续判断错误码，如果错误码的值为 EAGAIN、EWOULDBLOCK 或 EINTR 则应该继续调用 read 函数再次进行读取。

2.3 信号驱动 IO

信号驱动 IO 就是当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。

当底层数据就绪的时候会向当前进程或线程递交 SIGIO 信号，因此可以通过 signal 或 sigaction 函数将 SIGIO 的信号处理程序自定义为需要进行的 IO 操作，当底层数据就绪时就会自动执行对应的 IO 操作。

信号的产生是异步的，但信号驱动 IO 是同步 IO 的一种。我们说信号的产生异步的，因为信号在任何时刻都可能产生。但信号驱动 IO 是同步 IO 的一种，因为当底层数据就绪时，当前进程或线程需要停下正在做的事情，转而进行数据的拷贝操作，因此当前进程或线程仍然需要参与 IO 过程。判断一个 IO 过程是同步的还是异步的，本质就是看当前进程或线程是否需要参与 IO 过程，如果要参与那就是同步 IO，否则就是异步 IO。

2.4 多路转接

IO 多路转接也叫做 IO 多路复用，能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

IO 多路转接与阻塞 IO 的区别在于：IO 多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

• 阻塞 IO 一次只能'等'一个文件描述符上的数据或空间就绪，这样 IO 效率太低了。
• 因此系统为我们提供了三组接口，分别叫做 select、poll 和 epoll，这些接口的核心工作就是'等'，我们可以将所有'等'的工作都交给这些多路转接接口。
• 因为这些多路转接接口是一次'等'多个文件描述符的，因此能够将**'等'的时间进行重叠**，当数据就绪后再调用对应的 recv 等函数进行数据的拷贝，此时这些函数就能够直接进行拷贝，而不需要进行'等'操作了。

2.5 异步 IO

异步 IO 就是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）。

异步 IO 不需要你进行'等'和'拷贝'的操作，这两个动作都由操作系统来完成，你要做的只是发起 IO，当 IO 完成后操作系统会通知应用程序。

使用异步 IO 可能会造成操作系统压力大、编程难度、程序调试难度大、资源竞争和数据一致性问题，所以一般不适用异步 IO。

3. 进程同步与 IO 同步

在多进程和多线程当中有同步与互斥的概念，但是这里的 IO 同步和进程或线程之间的同步是完全不相干的概念。

• 进程/线程同步指的是，在保证数据安全的前提下，让进程/线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，谈论的是进程/线程间的一种工作关系。
• 而同步 IO 指的是进程/线程与操作系统之间的关系，谈论的是进程/线程是否需要主动参与 IO 过程。