哈嘍，我是老吳，俺又來分享文章啦!

渾渾噩噩到了 30 歲，距離開滴滴還有 5 年的時(shí)間。

還有機(jī)會(huì)全身而退嗎？

哈哈！

30 而立，今年會(huì)是值得拼搏的一年，干它！

以下是正文：

一、Linux 的 5 種 IO 模型
二、如何使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O？
三、內(nèi)核何時(shí)會(huì)發(fā)送 "IO 就緒" 信號(hào)？
四、最簡(jiǎn)單的示例
五、擴(kuò)展知識(shí)

一、Linux 的 5 種 IO 模型

阻塞式 I/O：

系統(tǒng)調(diào)用可能因?yàn)闊o法立即完成而被操作系統(tǒng)掛起，直到等待的事件發(fā)生為止。

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非阻塞式 I/O (O_NONBLOCK)：

系統(tǒng)調(diào)用則總是立即返回，而不管事件是否已經(jīng)發(fā)生。

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I/O 復(fù)用 (select、poll、epoll)：

通過 I/O 復(fù)用函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)一組事件，內(nèi)核通過 I/O 復(fù)用函數(shù)把其中就緒的事件通知給應(yīng)用程序。

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信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O (SIGIO)：

為一個(gè)目標(biāo)文件描述符指定宿主進(jìn)程，當(dāng)文件描述符上有事件發(fā)生時(shí)，SIGIO 的信號(hào)處理函數(shù)將被觸發(fā)，然后便可對(duì)目標(biāo)文件描述符執(zhí)行 I/O 操作。

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異步 I/O (POSIX 的 aio_ 系列函數(shù))：

異步 I/O 的讀寫操作總是立即返回，而不論 I/O 是否是阻塞的，真正的讀寫操作由內(nèi)核接管。

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思考一下，什么時(shí)候應(yīng)該選擇何種 I/O 模型？為何要這么選擇？

下面重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 這一模型，其他模型可查閱文末參考書籍。

二、如何使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O？

一般通過如下 6 個(gè)步驟來使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 模型。

1> 為通知信號(hào)安裝處理函數(shù)。

通過 sigaction() 來完成：

intsigaction(intsignum,conststructsigaction*act,structsigaction*oldact);

默認(rèn)情況下，這個(gè)通知信號(hào)為 SIGIO。

2> 為文件描述符的設(shè)置屬主。

通過 fcntl() 的 F_SETOWN 操作來完成：

fcntl(fd,F_SETOWN,pid)

屬主是當(dāng)文件描述符上可執(zhí)行 I/O 時(shí)，會(huì)接收到通知信號(hào)的進(jìn)程或進(jìn)程組。

pid 為正整數(shù)時(shí)，代表了進(jìn)程 ID 號(hào)。

pid 為負(fù)整數(shù)時(shí)，它的絕對(duì)值就代表了進(jìn)程組 ID 號(hào)。

3> 使能非阻塞 I/O。

通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：

flags=fcntl(fd,F_GETFL);
fcntl(fd,Ｆ_SETFL,flags|O_NONBLOCK);

4> 使能信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O。

通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：

flags=fcntl(fd,F_GETFL);
fcntl(fd,Ｆ_SETFL,flags|O_ASYNC);

5> 進(jìn)程等待 "IO 就緒" 信號(hào)的到來。

當(dāng) I/O 操作就緒時(shí)，內(nèi)核會(huì)給進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)，然后調(diào)用在第 1 步中安裝好的信號(hào)處理函數(shù)。

6> 進(jìn)程盡可能多地執(zhí)行 I/O 操作。

循環(huán)執(zhí)行 I/O 系統(tǒng)調(diào)用直到失敗為止，此時(shí)錯(cuò)誤碼為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

原因：

信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 提供的是邊緣觸發(fā)通知，即只有當(dāng) I/O 事件發(fā)生時(shí)我們才會(huì)收到通知，

且當(dāng)文件描述符收到 I/O 事件通知時(shí)，并不知道要處理多少 I/O 數(shù)據(jù)。

三、內(nèi)核何時(shí)會(huì)發(fā)送 "IO 就緒" 信號(hào)？

對(duì)于不同類型的文件描述符，情況不一樣。

1> 終端

• 對(duì)于終端，當(dāng)有新的輸入時(shí)會(huì)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。

2> 管道和 FIFO

對(duì)于讀端，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

• 數(shù)據(jù)寫入到管道中;
• 管道的寫端關(guān)閉;

對(duì)于寫端，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

• 對(duì)管道的讀操作增加了管道中的空余空間大小。
• 管道的讀端關(guān)閉;

3> 套接字

對(duì)于 UDP 套接字，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

• 數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)套接字；
• 套接字上發(fā)生異步錯(cuò)誤;

對(duì)于 TCP 套接字，信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 近乎無用。

• 太多情況都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，而我們又無法得知事件類型，因此這里就不再列舉其產(chǎn)生信號(hào)的情況。

四、最簡(jiǎn)單的示例

信號(hào)處理函數(shù)：

staticvolatilesig_atomic_tgotSigio=0;

staticvoidhandler(intsig)
{
gotSigio=1;
}

主程序：

intmain(intargc,char*argv[])
{
intflags,j,cnt;
structtermiosorigTermios;
charch;
structsigactionsa;
intdone;

/*Establishhandler*/
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags=SA_RESTART;
sa.sa_handler=handler;
if(sigaction(SIGIO,&sa,NULL)==-1){
perror("sigaction()
");
exit(1);
}

/*Setownerprocess*/
if(fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid())==-1){
perror("fcntl()/F_SETOWN
");
exit(1);
}

/*Enable"I/Opossible"signalingandmakeI/Ononblocking*/
flags=fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);
if(fcntl(STDIN_FILENO,F_SETFL,flags|O_ASYNC|O_NONBLOCK)==-1){
perror("fcntl()/F_SETFL
");
exit(1);
}

for(done=0,cnt=0;!done;cnt++){
sleep(1);

if(gotSigio){
gotSigio=0;

/*Readallavailableinputuntilerror(probablyEAGAIN)
orEOF*/
while(read(STDIN_FILENO,&ch,1)>0&&!done){
printf("cnt=%d;read%c
",cnt,ch);
done=ch=='#';
}
}
}
exit(0);
}

運(yùn)行效果：

./build/sigio
a
cnt=0;reada
cnt=0;read

abc
cnt=4;reada
cnt=4;readb
cnt=4;readc
cnt=4;read

#
cnt=7;read#

該程序會(huì)先使能信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO，然后循環(huán)執(zhí)行計(jì)數(shù)操作。

當(dāng)有 IO 就緒信號(hào)到來時(shí)，會(huì)去終端讀取數(shù)據(jù)并打印出來，然后繼續(xù)執(zhí)行計(jì)數(shù)操作。

五、擴(kuò)展知識(shí)

I/O 多路復(fù)用 、信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 以及 epoll 機(jī)制可用于監(jiān)視多個(gè)文件描述符。

它們并不實(shí)際執(zhí)行 I/O 操作，當(dāng)某個(gè)文件描述符處于就緒態(tài)，仍需采用傳統(tǒng)的 I/O 系統(tǒng)調(diào)用來完成 I/O 操作。

相比 I/O 多路復(fù)用，當(dāng)監(jiān)視大量的文件描述符時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 有著顯著的性能優(yōu)勢(shì)，原因是內(nèi)核能夠幫進(jìn)程記錄了正在監(jiān)視的文件描述符列表。

信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的缺點(diǎn):

• 信號(hào)的處理流程較為復(fù)雜;

• 無法指定需要監(jiān)控的事件類型。

Linux 特有的 epoll 是一個(gè)更好的選擇。

六、相關(guān)參考

UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程卷1

• 6.2 I/O模型
• 25 信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O

Linux-UNIX 系統(tǒng)編程手冊(cè)

• 63 其他備選的I/O模型

Linux 高性能服務(wù)器編程

• 8.3 I/O 模型

Linux 多線程服務(wù)端編程_使用muduo C++網(wǎng)絡(luò)庫

• 7.4.1 muduo的IO模型

審核編輯 ：李倩