事件驱动IO模式（图解+秒懂+史上最全）

Posted 2021-11-11 架构师-尼恩

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信号驱动IO的简介

在信号驱动IO模型中，用户线程通过IO事件的回调函数注册，来避免IO时间查询的阻塞。

具体的做法是，用户进程预先在内核中设置一个回调函数，当某个事件发生时，内核使用信号（SIGIO）通知进程运行回调函数。 然后用户线程会继续执行，在信号回调函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

信号驱动IO的基本流程

信号驱动IO的基本流程是：

用户进程通过系统调用，向内核注册SIGIO信号的owner进程和以及进程内的回调函数。内核IO事件发生后（比如内核缓冲区数据就位）后，通知用户程序，用户进程通过read系统调用，将数据复制到用户空间，然后执行业务逻辑。

信号驱动IO模型，每当套接字发生IO事件时，系统内核都会向用户进程发送SIGIO事件，所以，一般用于UDP传输，在TCP套接字的开发过程中很少使用，原因是SIGIO信号产生得过于频繁，并且内核发送的SIGIO信号，并没有告诉用户进程发生了什么IO事件。

但是在UDP套接字上，通过SIGIO信号进行下面两个事件的类型判断即可：

1 数据报到达套接字

2 套接字上发上一部错误

因此，在SIGIO出现的时候，用户进程很容易进行判断和做出对应的处理：如果不是发生错误，那么就是有数据报到达了。

事件注册的步骤

举个例子。发起一个异步IO的read读操作的系统调用，流程如下：

（1）设置SIGIO信号的信号处理回调函数。

（2）设置该套接口的属主进程，使得套接字的IO事件发生时，系统能够将SIGIO信号传递给属主进程，也就是当前进程。

（3）开启该套接口的信号驱动I/O机制，通常通过使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞标志和O_ASYNC异步标志完成。

完成以上三步，用户进程就完成了事件回调处理函数的设置。当文件描述符上有事件发生时，SIGIO 的信号处理函数将被触发，然后便可对目标文件描述符执行 I/O 操作。

关于以上三步的详细介绍，具体如下：

第一步：

设置SIGIO信号的信号处理回调函数。Linux中通过 sigaction() 来完成。参考的代码如下：

   // 注册SIGIO事件的回调函数

   sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

sigaction函数的功能是检查或修改与指定信号相关联的处理动作（可同时两种操作），函数的原型如下：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,

                     struct sigaction *oldact);

对其中的参数说明如下：

1 signum参数指出要捕获的信号类型

2 act参数指定新的信号处理方式

3 oldact参数输出先前信号的处理方式（如果不为NULL的话）。

该函数是Linux系统的一个基础函数，不是为信号驱动IO特供的。在信号驱动IO的使用场景中，signum的值为常量 SIGIO。

第二步：

设置该套接口的属主进程，使得套接字的IO事件发生时，系统能够将SIGIO信号传递给属主进程，也就是当前进程。属主进程是当文件描述符上可执行 I/O 时，会接收到通知信号的进程或进程组。

为文件描述符的设置IO事件的属主进程，通过 fcntl() 的 F_SETOWN 操作来完成，参考的代码如下：

fcntl(fd,F_SETOWN,pid)

当参数pid 为正整数时，代表了进程 ID 号。当参数pid 为负整数时，它的绝对值就代表了进程组 ID 号。

第三步：

开启该套接口的信号驱动IO机制，通常通过使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞标志和O_ASYNC异步标志完成。参考的代码如下：

int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //设置非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //设置为异步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

这一步通过 fcntl() 的 F_SETFL 操作来完成，O_NONBLOCK为非阻塞标志，O_ASYNC为信号驱动 I/O的标志。

使用事件驱动IO进行UDP通信应用的开发，参考的代码如下（C代码）：

int socket_fd = 0;

 

//事件的处理函数

void do_sometime(int signal) {

    struct sockaddr_in cli_addr;

    int clilen = sizeof(cli_addr);

    int clifd = 0;

 

    char buffer[256] = {0};

    int len = recvfrom(socket_fd, buffer, 256, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr,

                       (socklen_t)&clilen);

    printf("Mes:%s", buffer);

    

    //回写

    sendto(socket_fd, buffer, len, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, clilen);

}

 

int main(int argc, char const *argv[]) {

    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;

    act.sa_handler = do_sometime;

    // 注册SIGIO事件的回调函数
    sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

    struct sockaddr_in servaddr;

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons(8888);

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

 

    //第二步为文件描述符的设置 属主

    //设置将要在socket_fd上接收SIGIO的进程

    fcntl(socket_fd, F_SETOWN, getpid());

 

    //第三步：使能套接字的信号驱动IO

    int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //设置非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //设置为异步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

 

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    while (1) sleep(1); //死循环

    close(socket_fd);

    return 0;

}

当套件字的IO事件发生时，回调函数被执行，在回调函数中，用户进行执行数据复制即可。

信号驱动IO优势：

用户进程在等待数据时，不会被阻塞，能够用户进程的效率。具体来说：在信号驱动式I/O模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。

信号驱动IO缺点：

1 在大量IO事件发生时，可能会由于处理不过来，而导致信号队列溢出。

2 对于处理UDP套接字来讲，对于信号驱动I/O是有用的。可是，对于TCP而言，由于致使SIGIO信号通知的条件为数众多，进行IO信号进一步区分的成本太高，信号驱动的I/O方式近乎无用。

3 信号驱动IO可以看成是一种异步IO，可以简单理解为系统进行用户函数的回调。但是，信号驱动IO的异步特性，又做的不彻底。信号驱动IO仅仅在IO事件的通知阶段，是异步的，但是，在将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区这个过程，用户进程是阻塞的、同步的。