Linux 高级IO

非阻塞I/O

系统调用有两类，“低速”系统调用和其他，而低速系统调用可能使进程永远阻塞，例如读某些终端设备文件，文件中并没有数据，读操作可能使调用者永远阻塞。

非阻塞I/O使我们可以的一些操作不会永远的阻塞，如果操作继续执行将会进入阻塞状态，则调用立即出错返回。

比如对于一个给定的描述符，有两种方法指定其为非阻塞I/O：
1. 调用open函数打开文件时指定O_NONBLOCK标志
2. 打开文件后对文件描述符调用fcntl修改文件状态标志，同上。

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阻塞 非阻塞 异步特点

• 阻塞IO的特点就是在IO执行的两个阶段（准备数据和拷贝数据）都被阻塞了

• 非阻塞IO的特点是用户进程需要不点的主动询问内核数据准备好了没有

• IO多路复用通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select函数就可以返回

• 异步IO用户进程发起read操作后可以立刻开始去做其他事情，而内核会等待数据准备完成然后拷贝到用户内存，完成后给用户进程发送一个signal告诉它read操作完成

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记录锁

当一个进程正在读或者修改文件的某个部分的时候，使用记录锁可以防止其他进程修改同意文件区。

#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, .../*struct flock flockptr */);/*struct flock {    short l_type;    /* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */    short l_whence;  /* How to interpret l_start: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */    off_t l_start;   /* Starting offset for lock */    off_t l_len;     /* Number of bytes to lock */    pid_t l_pid;     /* PID of process blocking our lock (F_GETLK only) */};*/

• l_type 锁的类型：F_RDLCK（共享读锁）,F_WRLCK（独占写锁）,F_UNLCK（解锁一个区域）

• l_whence 设定偏移位置，SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END

• l_start 设定区域起始位置偏移量

• l_len 设定锁定区域的字节长度

• l_pid 持有锁的进程ID，仅由F_GETLK返回

读锁可以共享，说明第一个进程对文件上锁为读锁时，其他进程也可以对文件上锁区域获取读锁进行读取操作。假如进程想在读锁的基础上获取写锁则会被阻塞。而如果第一个进程对文件上锁为写锁的话，那么其他进程对文件无论希望获取什么锁都会被阻塞。

写锁例子:

#include<stdio.h> #include<unistd.h> #include<sys/types.h>  #include<sys/stat.h>  #include<fcntl.h>#include<sys/file.h>int main()                                                          {                                                                       int fd = open("test.txt",O_RDWR|O_CREAT,0644);                      if(fd < 0)                                                          {                                                                       printf("open err\n");                                               return -1;                                                      }                                                                   struct flock myflock;                                               myflock.l_type = F_WRLCK;  //独占性写锁 F_RDLCK为共享读锁           myflock.l_whence = SEEK_SET; //偏移位置为文件开头                   myflock.l_start = 0; //指定锁的区域开头                             myflock.l_len = 1024; //指定锁的区域大小                            fcntl(fd, F_SETLKW, &myflock);  //锁文件，锁不上说明有别人上锁，就阻塞等待                                                              printf("get lock\n");                                               myflock.l_type = F_UNLCK; //解锁                                    fcntl(fd, F_SETLKW, &myflock);                                      close(fd);    return 0; }      

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I/O多路转接

select函数

在所有POSIX兼容的平台上，select函数使我们可执行I/O多路转接。

#include <sys/select.h>int select(int maxfd, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict exceptfds, struct timeval *restrict tvptr);

• 第一个参数为最大文件描述符编号值加一

• 中间三个参数readfds,writefds,exceptfds是指向描述符集的指针，分别为我们关心的可读，可写，处于异常条件的描述符集合

• 最后一个参数为timeval结构体，指定等待描述符准备好的最大时间，若指定NULL则表示阻塞等待，指定0表示不阻塞立即返回，指定非0值为正常指定时间

select例子

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<sys/select.h>#include<sys/types.h>#include<fcntl.h>#include<errno.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#define MAXSIZE 1024int main(){    int fd_key, fd_mouse;    char buf[MAXSIZE];    // 为了代码整洁性可读性未加错误判断,并且打开此文件可能要root权限    fd_key = open("/dev/input/event1", O_RDONLY);    fd_mouse = open("/dev/input/mice", O_RDONLY);    // 第一个参数 最大文件描述符+1    int maxfd = fd_key > fd_mouse ? fd_key : fd_mouse;    maxfd++;    printf("%d\n",maxfd);    while(1)    {        fd_set rset;        FD_ZERO(&rset); //将rset所有位置0        FD_SET(fd_key, &rset);        FD_SET(fd_mouse, &rset);        struct timeval tv;        tv.tv_sec = 1; //秒        tv.tv_usec = 0; //微秒        int ret = select(maxfd, &rset, NULL, NULL, &tv);        if(ret < 0)        {            if(errno == EINTR) //被信号中断                continue;            return -1;        }        else if(ret > 0)        {            if(FD_ISSET(fd_key, &rset))            {                //判断是键盘操作                memset(buf, 0, sizeof(buf));                read(fd_key, buf, sizeof(buf));                printf("keyboard event\n");            }            else if(FD_ISSET(fd_mouse, &rset))            {                //判断是鼠标操作                memset(buf, 0, sizeof(buf));                read(fd_mouse, buf, sizeof(buf));                printf("mouse event\n");            }        }    }    close(fd_key);    close(fd_mouse);    return 0;}

epoll函数

在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。

#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size)；int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_create

创建一个epoll句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共多大，但在Linux 2.6.8开始废弃这个参数，但依然要大于0。

当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

epoll_ctl

epoll的事件注册函数

• 第一个参数为epoll_create返回值

• 第二个参数表示动作
  EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
  EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
  EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

• 第三个参数为需要监听的fd

• 第四个参数struct epoll_event告诉内核要监听什么事件

typedef union epoll_data {    void *ptr;    int fd;    __uint32_t u32;    __uint64_t u64;} epoll_data_t;struct epoll_event {    __uint32_t events; /* Epoll events */    epoll_data_t data; /* User data variable */};event的取值:EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

epoll_wait

等待事件的产生，参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

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epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT和ET。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：　　LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。        下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。　　ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。        如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。    （对应epoll_ctl内的struct epoll_event结构体中的__uint32_t enents的（ET）EPOLLET模式，默认是LT模式）

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select和epoll的区别

• select出现早，使用位域来表示描述符集合
  其缺点是描述符数量的限制，在Linux上一般为1024，大规模文件通过遍历fdset找到就绪的描述符，效率低。

• epoll出现晚，使用红黑树来保存文件集合，大规模文件描述符效率高

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存储映射I/O

mmap创建映射区见此博文