高级IO，阻塞于非阻塞

Posted 2020-08-19

1、1、非阻塞IO

1.阻塞与非阻塞

(1)阻塞：就是当前的函数要执行的话，需要某些条件，但是没有达到，就被阻塞住，内核挂起，当前进程暂停。CPU被拿去运行别的进程了。比如父进程执行wait这个阻塞函数，等待子进程结束后，去回收子进程剩余的8KB内存资源，如果这个时候子进程没有结束，父进程的wait就会被阻塞，因为条件没有达到，这个时候父进程就暂停了，内核就挂起了，CPU的时间就去执行别的进程了，不在父进程这里耗了，当子进程结束的时候，OS会给子进程的父进程发送一个SIGCHILD信号，这时父进程就被唤醒了，wait函数执行就将子进程回收掉了

(2)常见的阻塞：

wait、sleep、pasue等函数；

read或write写文件的时候

(3)阻塞的好处：有利于操作系统的性能的发挥。因为阻塞住了进程会暂停，CPU可以去做别的事情，并且要完成的任务在一定情况下也会被完成的。

(4)但是一个进程中，进行多路IO操作的时候，有时阻塞式的就不好了，比如你当前进程排在前面的IO，由于因为你被阻塞住了，导致你的当前进程陷入了休眠状态，虽然你将CPU的时间让给了别的进程了，但是对于你自己的进程来说，你自己进程的剩下那些IO操作就要等你前面的IO操作完了之后才能进行，这样就会降低了你当前的一个进程中的工作效率了，因为你排在前面的IO操作没有进行完，你排在后面的IO操作是不肯能得到运行的，都是在一个进程中的。这个时候阻塞就是不好的了，所以有时也需要非阻塞式的操作。

(5)非阻塞式的操作，当你一个进程中进行多路IO的操作的时候，你排在前面的IO操作，由于你没有用阻塞式的操作，而是非阻塞式的操作，所以即使你的条件没有达到你也不会让整个进程陷入沉睡暂停状态，而是直接返回，直接执行这个进程的下面的内容，这样对于当前进程的别IO来说，别的进程的执行效率就加大了，这种情况往往是在IO操作设备文件的时候，比如你在读鼠标这个设备文件，就因为你这读这个设备文件的时候被阻塞住了，而影响到了其他的设备文件的IO操作，这样可想而知，真的不好

(6)如何实现非阻塞呢，就是在打开文件的时候加上O_NONBLOCK这个标志属性和fcntl，fcntl可以读出一个文件的flag，然后加上O_NONBLOCK这个标志，在将这个flag放回去

2、用read读取键盘，来看阻塞的感觉

(1)因为键盘是标准输入设备，对应的文件描述符是0，在每个进程中都是默认被打开的，所以我们直接read(0, buf, 2);直接读这个键盘就行，读取两个字节放到buf中，我们执行这个时候，当我们键盘没有输入东西完毕按回车的时候(因为Linux的控制台是行缓冲的，你没有按下回车的时候，只是把你输入的东西放到控制台上显示，还没有送到read中，你按下回车后才会被输入进去。)，当我们没有输入东西按回车的时候，发现是被阻塞住的，被卡住了，不动了，这就是阻塞的感觉，这个时候当前的进程被暂停了，因为没有等待条件，read读取不到东西，当我们输入东西按下回车的时候，当前的进程就被唤醒了，read读取到东西了

3、read读取鼠标

(1)首先鼠标这个设备文件是需要我们打开的，才能得到文件描述符fd，鼠标的设备文件在/dev/input/mouse0或者可能是/dev/input/mouse1

4、先读鼠标在键盘的情况

(1)我们程序在设计的时候，是先读取鼠标这个设备文件，在读取键盘这个标准输入文件，我们会发现，由于我们是阻塞式的，所以我们在鼠标没有读取成功的时候，键盘输入了东西敲回车也不好使，只有当鼠标读取完了之后，才会去读取键盘，这就是阻塞式的坏处，解决方法就是非阻塞

5、并发式IO的解决方案(就是一个进程中对多个IO进行操作时引发的问题，就是上面的4的问题)

(1)解决方案有三个

(2)非阻塞式IO

@1：首先将键盘这个文件设置成非阻塞式的，因为键盘这个标准输入，是在每一个进程都打开的，所以我们无法直接用open这个函数去打开这个文件，将其中的flag加上O_NONBLOCK这个标志属性

所以我们要用fcntl这个函数来去利用文件描述符fd，去将这个文件的属性进行改成非阻塞的。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

@2：第一个参数是文件描述符

@3：第二个参数是要的功能，我们的cmd用的宏是F_GETFD (void) F_SETFD (int)，这两个。

@4：利用F_GETFD这个cmd宏，将fd这个文件的flag读取出来，之后用F_SETFD这个cmd宏将O_NONBLOCK这个非阻塞式的属性添加上。

@5：先flag = fcntl(0, F_GETFD);获取原来的这个文件的flag，然后 flag |= O_NONBLOCK;位或一个O_NONBLOCK。然后在fcntl(0, F_SETFD, flag);将属性在写到这个fd中

6、多路复用IO

(1)IO多路复用原理(IO multiplexing),作用和非阻塞IO有点像，是解决并发式IO的问题的

(2)什么时候用多路复用IO呢，在多路IO都是非阻塞式的情况下。为了应对多路非阻塞IO，CPU要一直不停的去轮询这些非阻塞IO，因为是轮询，所以必然要消耗时间，有空档。所以有了多路复用IO。

(3)多路复用IO涉及到的两个函数：select和poll

(4)IO多路复用的实现原理就是：外部阻塞式，内部非阻塞式自动轮询多路阻塞式IO。

@1：外部阻塞式的意思是说，select和poll这两个函数本身是阻塞式的

@2：内部非阻塞式，意思是说，select和poll内部在轮询几路IO的时候是非阻塞式的。

@3：select类似于一个监听的函数，比如，当A这个鼠标IO，和B这个键盘IO，我们用select去监听这两个IO，我们的鼠标IO，和键盘IO，都是阻塞式的，并没有设置成非阻塞式的，当我们调用select去监听的时候，当鼠标IO事件和键盘IO事件都没有发生的情况，select本身就是阻塞式的，select会一直在这里等待他监听的两个IO事件其中至少发生一个，select去监听这个两个IO的时候，是以非阻塞式的方式去轮询监听的，这就是外部阻塞式，内部非阻塞式自动轮询多路阻塞式IO。select函数表现为对外是阻塞式的，对内部监听的A和B这两个阻塞式IO表现为非阻塞式的方式去轮询A和B这两个阻塞式IO。只要A或者B有一个IO中来数据了，select就会被唤醒，select就会向外面汇报，在没数据时，select是阻塞式的，select所在的进程变成了暂停状态

(5)select函数

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval

 *timeout);

@1：第一个参数表示文件描述符的个数，这个值我们应该设置select内部要监听的多路IO中的那个文件描述符最大的那一个的fd+1，因为文件描述符是从0开始的，所以要加1。

@2：第二个参数中的fd_set是多个文件描述符的集合，是一个结构体。select这个函数在运行的时候，是区分文件描述符所要进行的操作的，所以第二个参数是传递了一个要读的文件描述符，是要对多路文件描述符中那些要读的文件描述符。第三个参数是传递多路文件描述符中要写的那些文件描述符。第四个参数是那些发生异常的文件描述符，都是输出型参数。第五个参数是设置超时时间的，因为select是阻塞式的，所以当监听的IO没有IO事件时，select就一直被阻塞了，卡住了，当前进程就一直暂停了，所以有时不想select一直被阻塞住，所以有了这个第五个参数，用来设置超时的，时间到了，select就会被唤醒返回

@3：返回值，当select成功的时候，就select监听的内部有IO事件发生的时候，select返回，这个返回值就是表示select内部有几个IO事件发生了，如果返回值是0就表示是超时了，没有监听到任何的IO事件发生自己超时后返回了，返回值是0，如果返回值是-1，就表示select函数运行错误了

@4:void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//将fd，从fd_set中清除出去

   int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd，在fd_set中有没有被置位，发生了IO事件对应fd

//会被置位返回值是1，返回值0表示没有发生这个fd的IO

//事件

   void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd，添加到fd_set中

   void FD_ZERO(fd_set *set); //是用来将fd_set这个集合中文件描述符置位的清除置位

这四个函数是用来操作fd_set这个文件描述符集合的

(6)poll函数

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

@1：第一个参数是输出型参数，是文件描述符的集合，第二个参数是poll函数内部监听的多路IO的最大的文件描述符fd+1，第三个参数是超时时间，是毫秒级别的

@2： struct pollfd {

               int   fd;         /* file descriptor */

               short events;     /* requested events */

               short revents;    /* returned events */

           };

我们给poll传递第一个参数的时候，要设置这个结构体的fd和events，fd表示我们要监测哪个fd，events表示要监测这个fd的什么事件

@3：events如果是

 POLLIN 表示监测的是读

 POLLOUT 表示监测的是写

@4：revents是内核设置的，当监测的IO事件发生POLLIN或者POLLOUT，我们可以判断events和revents是否相等来确定是否发生我们想要的IO事件

@5：返回值，当poll成功的时候，返回值是一个正数，非零，表示内核帮我们设置了一个revents，表示有IO事件发生，有几路IO事件发生了，返回值就是几，超时时返回0，返回-1表示poll函数运行错误了，和select的返回值定义是一样的

7、多路复用IO的代码实战

(1)select函数实现的读取键盘和鼠标的IO多路复用

(2)poll函数实现的读取键盘和鼠标的IO多路复用

8、异步通知（异步IO）

(1)什么是异步IO，可以认为是操作系统用软件实现的一种软件中断响应系统

(2)异步IO的工作方法就是，当前进程在做自己该做的事情，当有一个异步IO的信号SIGIO的时候，就会去执行这个异步IO信号对应的信号处理函数。

(3)所以就是一个进程中向操作系统注册了一个异步IO的信号对应的信号处理函数，用signal或者sigaction注册了一个SIGIO对应的信号处理函数，当前进程可以做想做的事情，当有异步IO事件发生了的时候，操作系统会给当前进程发一个SIGIO的异步信号，进程接受到这个SIGIO信号后就会去执行这个信号对应的信号处理函数。就跟被中断了一样，去执行了中断处理函数一样，只不过这个中断是由信号来产生的。

(4)异步IO涉及到的函数：

fcntl(主要是设置一些异步通知，F_GETFL，F_SETFL,O_ASYNC,F_SETOWN)

@1：F_GETFL来获取flag属性信息

@2：F_SETFL来设置flag属性信息

@3：O_ASYNC来指示当前的文件描述符可以被接受异步通知，也是一个flag文件属性，将文件描述符添加这个属性

@4：F_SETOWN用这个告诉当异步IO事件发生的时候让OS通知谁，fcntl带上这个参数后，后面一个变参要加上当前进程的pid，可以getpid来获得，表示发生异步IO事件的时候OS通知当前的这个进程

signal或者sigaction(绑定SIGIO对应的信号处理函数的)

8、存储映射IO

(1)mmao函数

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,

                  int fd, off_t offset);

把一个文件和一个内存区域映射起来。

(2)在LCD显示的时候和IPC共享内存通信的时候会用到

比如，你的LCD要显示的图片的话，是和驱动层的一个LCD驱动中划分出来的一个物理内存中的显存区域，将这个内存区域设置到LCD控制器中的一个参数中，当这个内存区域有一个图片的数据的时候，硬件就会自动刷新到LCD屏幕去显示，但是我们现在是在应用层下，我们在文件系统中的一个打开了一个图片文件，得到了这个图片的数据，我们要将这个打开的图片的数据，也就是要将一块内存复制到LCD的显存的那一个内存区域中，这样每次都直接复制是很浪费CPU时间的，所以就可以mmap将LCD的显存内存区域和我们的这个打开这个文件时的内存区域映射起来，这样就相当于关联起来了，实际上就变成了一个内存区域了，