高级IO（文件的读写）——并发式IO的解决方案（解决多路阻塞式IO的方案）

以下内容源于朱有鹏《物联网大讲堂》课程的学习整理，如有侵权，请告知删除。

一、并发式IO的解决方案

• 所谓并发式IO，即上节中提及的鼠标和键盘都已经启动。

1、非阻塞式IO

• 使用fcntl函数， 将上节中阻塞式的鼠标和键盘读取改为非阻塞式的。
• 性能不是很好。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(void){// 读取鼠标int fd = -1;int flag = -1;char buf[200];int ret = -1;fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY | O_NONBLOCK);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}// 把0号文件描述符（stdin）变成非阻塞式的flag = fcntl(0, F_GETFL);// 先获取原来的flagflag |= O_NONBLOCK;// 添加非阻塞属性fcntl(0, F_SETFL, flag);// 更新flag// 这3步之后，0就变成了非阻塞式的了while (1){// 读鼠标memset(buf, 0, sizeof(buf));ret = read(fd, buf, 50);if (ret > 0){printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);}// 读键盘memset(buf, 0, sizeof(buf));ret = read(0, buf, 5);if (ret > 0){printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);}}return 0;}/*int main(void){// 读取鼠标int fd = -1;char buf[200];fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY | O_NONBLOCK);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}memset(buf, 0, sizeof(buf));printf("before read.\n");read(fd, buf, 50);printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);return 0;}*//*int main(void){// 读取键盘// 键盘就是标准输入，stdinchar buf[100];int flag = -1;// 把0号文件描述符（stdin）变成非阻塞式的flag = fcntl(0, F_GETFL);// 先获取原来的flagflag |= O_NONBLOCK;// 添加非阻塞属性fcntl(0, F_SETFL, flag);// 更新flag// 这3步之后，0就变成了非阻塞式的了memset(buf, 0, sizeof(buf));printf("before read.\n");read(0, buf, 5);printf("读出的内容是：[%s].\n", buf);return 0;}*/

2、多路复用IO

3、异步通知（异步IO）

二、IO多路复用原理

1、何为IO多路复用？

（1）英文为：IO multiplexing

（2）用在什么地方？

• 用于解决并发式IO，多路阻塞式的。

（3）涉及select函数、poll函数。

• 两个函数设计思想一样，外部特征不一样。

（4）实现原理：外部阻塞式（select函数本身是阻塞式的），内部非阻塞式自动轮询（select自动轮询时A，B）多路阻塞式IO（键盘A，鼠标B，这两者本身是阻塞式的）。

• 只要AB至少有一个输入，则select由阻塞返回。

2、select函数介绍

3、poll函数介绍

4、多路复用实践

（1）用poll函数实现同时读取键盘鼠标

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <poll.h>int main(void){// 读取鼠标int fd = -1, ret = -1;char buf[200];struct pollfd myfds[2] = {0};fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}// 初始化我们的pollfdmyfds[0].fd = 0;// 键盘myfds[0].events = POLLIN;// 等待读操作myfds[1].fd = fd;// 鼠标myfds[1].events = POLLIN;// 等待读操作ret = poll(myfds, fd+1, 10000);if (ret < 0){perror("poll: ");return -1;}else if (ret == 0){printf("超时了\n");}else{// 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理之if (myfds[0].events == myfds[0].revents){// 这里处理键盘memset(buf, 0, sizeof(buf));read(0, buf, 5);printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);}if (myfds[1].events == myfds[1].revents){// 这里处理鼠标memset(buf, 0, sizeof(buf));read(fd, buf, 50);printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);}}return 0;}

（2）用select函数实现同时读取键盘鼠标

• 设置超时时间，即阻塞的时间不能太长，如果很久都没有IO来激活select，则表明超时了。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>int main(void){// 读取鼠标int fd = -1, ret = -1;char buf[200];fd_set myset;struct timeval tm;//设置超时时间，即阻塞的时间不能太长，如果很久都没有IO来激活select，则表明超时了。fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}// 当前有2个fd，一共是fd一个是0// 处理mysetFD_ZERO(&myset);FD_SET(fd, &myset);FD_SET(0, &myset);tm.tv_sec = 10;tm.tv_usec = 0;ret = select(fd+1, &myset, NULL, NULL, &tm);//+1，是因为0~fd，则共有fd+1个文件描述符if (ret < 0)//错误{perror("select: ");return -1;}else if (ret == 0)//表明超时{printf("超时了\n");}else//>0表示有一路IO激活了{// 等到了一路IO，然后去监测到底是哪个IO到了，处理之if (FD_ISSET(0, &myset)){// 这里处理键盘memset(buf, 0, sizeof(buf));read(0, buf, 5);printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);}if (FD_ISSET(fd, &myset)){// 这里处理鼠标memset(buf, 0, sizeof(buf));read(fd, buf, 50);printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);}}return 0;}

三、异步IO

1、何为异步IO？

（1）几乎可以认为，异步IO就是操作系统用软件实现的一套中断响应系统。类比硬件中断。

（2）异步IO的工作方法

• 当前进程注册一个异步IO事件（使用signal注册一个信号SIGIO的处理函数），然后当前进程可以正常处理自己的事情；
• 当异步事件发生后，当前进程会收到一个SIGIO信号，从而执行绑定的处理函数，来处理这个异步事件。

2、涉及的函数

（1）fcntl函数，主要设置异步通知。

• 涉及的命令有F_GETFL（获取flag）、F_SETFL、O_ASYNC（表明可以接收异步通知）、F_SETOWN（设置通知谁（一般都是通知当前进程））；
  

（2）signal或sigaction函数（SIGIO）

3、代码实践

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <signal.h>int mousefd = -1;// 绑定到SIGIO信号，在函数内处理异步通知事件void func(int sig){char buf[200] = {0};if (sig != SIGIO)return;read(mousefd, buf, 50);printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);}int main(void){// 读取鼠标char buf[200];int flag = -1;mousefd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);if (mousefd < 0){perror("open:");return -1;}// 把鼠标的文件描述符设置为可以接受异步IOflag = fcntl(mousefd, F_GETFL);flag |= O_ASYNC;fcntl(mousefd, F_SETFL, flag);// 把异步IO事件的接收进程设置为当前进程fcntl(mousefd, F_SETOWN, getpid());// 注册当前进程的SIGIO信号捕获函数signal(SIGIO, func);// 读键盘，在这里是当前进程while (1){memset(buf, 0, sizeof(buf));read(0, buf, 5);printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);}return 0;}

四、存储映射IO

1、反映在mmap函数

• 把一个文件和一段内存映射起来。比如LCD设备文件和显存的对应。

2、例子

• LCD显示，IPC之共享内存

3、存储映射IO的特点

（1）共享而不是复制，减少内存操作。

（2）处理大文件时效率高（一般用于视频处理），小文件不划算。