【Linux网络编程】高效I/O--I/O的五种类型

I/O的概念

网络通信的本质

I/O的本质

高效I/O

五种I/O模型

阻塞I/O

非阻塞I/O

信号驱动I/O

多路转接/多路复用I/O

异步I/O

非阻塞I/O的实现

I/O的概念

网络通信的本质

网络通信的本质其实就是I/O

I：表示input(输入)
O：表示output（输出）
网络通信时，双方主机中的两个进程本质上就是从套接字中拿取或放入数据，它们的本质是I/O
网络中的各种协议，本质上就是规定网络通信时是如何I/O的

I/O的本质

我们所谈的I/O，都是站在内存的角度

对于输入来说，本质就是数据从外设放到内存里
对于输出来说，本质上就是数据从内存到外设里
以读文件为例，本质上不就是把磁盘上的文件数据读取到内存中

I/O的本质：I/O = 等 + 拷贝

以recv为例，我们调用recv的时候，若内核发送缓冲区中没有数据，那么执行流会进行阻塞等待。若内核发送缓冲区中有了数据，那么recv会把数据拷贝到用户层
其实不管是哪些函数，printf/scanf/read/write....，它们都会进行等待以及拷贝。所以I/O的本质是等+拷贝
等：本质上就是等待I/O的条件就绪

高效I/O

I/O = 等 + 拷贝，所以I/O的时间是由等的时间和拷贝的时间决定的，什么叫做高效I/O呢？

对于拷贝的时间，我们是无法从软件方面进行优化的，因为拷贝的速度是由硬件架构所决定的
对于等待的时间，我们可以从软件方面优化
所以我们所说的I/O效率比较低，大多数情况指的是I/O的等待时间较长

所以对于高效的I/O来说，就是尽可能的减少等待的时间，即单位时间内，等的比重越低，那么I/O的效率越高！

程序员进行编程时，什么叫做高效的代码？

减少I/O的比重
若无法减少I/O的比重，那么尽可能把I/O进行等待的时间利用起来

五种I/O模型

从理论回归到日常生活，其实我们日常生活中是有与I/O非常相似的例子，例如钓鱼

I/O = 等 + 拷贝，钓鱼 = 等 + 钓

当我们去钓鱼的时候，首先把鱼钩丢入湖水中，然后一直等待，直到鱼咬钩就把鱼拉上来，放入到水桶中

湖水类比OS内部缓冲区
水桶类比用户缓冲区
鱼类比数据
鱼钩/鱼竿类比一个sockfd

接下来让我们从钓鱼的角度理解五种I/O模型

阻塞I/O

阻塞I/O：

你把鱼钩和鱼饵放入水中后，完全专注于等待鱼上钩，整个过程中你什么也不做，无法去干其他事情。如果没有鱼上钩，你只能继续等，直到鱼上钩为止。
在阻塞I/O模型中，程序在发起I/O请求后，会被阻塞（即停下来）直到I/O完成。程序不能做其他事情，必须等到数据完全准备好才会继续运行。
这是最简单也是最直观的I/O模型，最常见于简单的单线程程序中。它的缺点是等待期间资源不能被其他任务使用，效率较低。

非阻塞I/O

非阻塞I/O：

你把鱼钩和鱼饵放入水中，但不光等着鱼上钩，还不时检查鱼线有没有拉动。如果没鱼上钩，你就去做其他事情，比如整理钓具或者享受周围的景色，然后过段时间再回来看看鱼线是否有动静。
在非阻塞 I/O 模型中，程序发起 I/O 请求后立即返回，即使数据还没有准备好。程序需要不断地主动检查 I/O 是否已经完成（类似于不断回去查看鱼有没有上钩），然后继续执行其他任务。
这种模型不会像阻塞 I/O 一样浪费时间等待，但它需要程序频繁检查 I/O 状态，导致程序需要处理大量轮询操作。

信号驱动I/O

你把鱼竿放在水里，然后装上一个铃铛，只有当有鱼上钩时，铃铛会响，提醒你上鱼。这时候你再去处理鱼线，而在铃铛没响之前，你可以做任何其他事情，比如读书或者打电话。
在信号驱动I/O模型中，程序发出I/O请求并设置好通知机制（类似于安装铃铛）。当I/O就绪时，操作系统通过信号通知程序进行处理。这时程序无需轮询或阻塞，只需等待信号触发。
这种模型减少了频繁检查I/O状态的需要，提升了效率，但对信号处理的实现复杂度要求较高。

多路转接/多路复用I/O

多路复用I/O：

你在湖边同时设置了多个鱼竿，你在等的过程中不断轮询检测这多个鱼竿，若发现有一个鱼竿鱼上钩了，那么你就立刻去拉他的鱼线，否则一直轮询等待
多路复用I/O的核心思想是通过单一的线程或进程来同时管理多个I/O操作。当多个I/O通道中的任何一个变为就绪状态时(类似轮询时发现鱼上钩了)，进程可以立即处理相应的I/O操作(钓)，而不需要为每个I/O通道创建独立的线程。（只需要一个人不断轮询的方式就可以管理所有的鱼竿，无需创建执行流）
多路复用是我们之后话题的重点！

异步I/O

异步I/O：

你把鱼竿放在水里，然后雇了一个助手帮你钓鱼。你自己可以完全不管钓鱼的事情，去做别的任务。当助手钓到鱼时，会通知你鱼已经上钩并帮你把鱼钓上来，整个过程你几乎不需要直接参与。
这里的助手就相当于操作系统，当你进行异步I/O时，若数据到来，由操作系统自动放入你的用户缓冲区，你无需参与钓鱼的整个过程
异步I/O的主要优势在于提高了CPU的利用率。在等待I/O完成的同时，CPU可以处理其他逻辑，避免了单一线程因I/O阻塞而闲置的情况。

同步I/O vs 异步I/O 同步I/O：

只要参与了I/O的等+拷贝，我们就可以把它理解为同步I/O，因为I/O的完整概念就是等+拷贝
同步I/O分别有：阻塞I/O，非阻塞I/O，信号驱动I/O，多路复用I/O

注意：信号驱动I/O本质上是同步I/O，虽然等的过程是由铃铛驱动的，但具体到钓鱼的动作是由你自己来钓的。

异步I/O：

若完全没参与I/O的等+拷贝，直接可以拿到数据，我们称这种I/O为异步I/O

线程同步 vs I/O同步

线程同步：主要涉及多线程编程中如何管理线程之间的共享资源和数据访问，以防止线程竞争或数据不一致的情况。它通常应用在多线程或多进程环境下，当多个线程需要同时访问或修改共享资源时，必须通过同步机制来确保数据一致性。

I/O同步：涉及与设备（如硬盘、网络、输入/输出设备等）之间的数据传输。I/O同步主要解决的问题是如何处理慢速的I/O操作和程序的执行之间的协调。

线程同步和I/O同步虽然名字都有同步，但完全是两个不同领域的概念

哪种I/O模型最高效？

首先，我们先明确一个概念，由于I/O的本质是等+拷贝，所以I/O高效指的是单位时间内等的比重比较低，则称这种I/O是最高效的！

最高效的I/O模型是多路转接/多路复用

注意：尽管异步I/O我们看起来比较高效，但由于我们明确了I/O高效的定义是单位时间内等的比重比较低，但异步I/O等的比重其实没有降低，只是它把等的时间利用起来了，所以它不是最高效的I/O

阻塞I/O和非阻塞I/O和信号驱动I/O的单位时间内等的比重也没有降低，只是等的方式不同而已，所以它们不是最高效的I/O

为什么多路转接是最高效的I/O

多路转接监管的文件描述符是最多的，回到钓鱼例子，假设鱼咬钩的概率是均等的。若我拿了200个鱼竿，其他4个人每人一个鱼竿，那么谁钓上鱼的可能性最大呢？答案显然易见是我的，因为我钓上鱼的概率是200/204，其他人是1/204
而我钓上鱼的概率越大，也就意味着我钓上一只鱼的等待时间是最短的！也就意味着我钓鱼是最高效的。回到I/O模型，多路复用获取一个I/O数据的等待时间也是最短的，多个文件描述符的等待时间是重叠的，所以它是最高效的

五种I/O模型流程图

阻塞I/O：

非阻塞I/O：

信号驱动I/O：

多路复用I/O：

多路复用I/O与阻塞I/O流程图较为相似。
Linux中提供了select系统调用，用于阻塞监管多个文件描述符，若监管的过程中发现有一个文件描述符准备就绪，那么select就会返回，此时可以调用拷贝函数（如read/write/recv/send...）无需等待，直接拷贝
多路复用I/O和阻塞I/O最本质的区别是，多路复用I/O一次阻塞监管了多个文件描述符，而阻塞I/O一次阻塞监管一个文件描述符

异步I/O：

非阻塞I/O的实现

阻塞I/O我们一直都在用，如printf/scanf/read/send....，这里不再过多介绍

我们主要实现的I/O模型分别是：

非阻塞I/O
多路复用I/O

非阻塞I/O的实现方式有很多，这里我们采用一种最通用的方式

把文件描述符设置为非阻塞，此后所有的I/O函数在访问这个文件描述符时都是非阻塞的方式访问

设置文件描述符为非阻塞，我们使用的系统调用是fcntl

功能：fcntl允许程序改变打开文件的属性，包括文件锁定、文件状态标志和其他与文件描述符相关的操作。

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

fd：要操作的文件的文件描述符
cmd：表示如何对fd进行操作
头文件：fcntl.h 和 unistd.h

cmd的操作方法有哪些？

F_GETFL：获取文件状态标志。
F_SETFL：设置文件状态标志。
F_GETLK：获取锁的信息。
F_SETLK：设置锁定。
F_SETLKW：设置锁定（阻塞方式）。

我们修改文件描述符的阻塞/非阻塞状态，主要是两步

由于我们只是想新增文件状态，所以我们需要保存一下旧的文件状态，可以使用F_GETFL获取旧的状态，此时的fcntl若获取成功的话返回值就是旧的状态，获取失败返回值是-1
设置文件状态，若设置为非阻塞，则第三个参数(cmd之后)填写旧的状态按位或上O_NONBLOCK即可

设置文件描述符为非阻塞的实现：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNonBlock(int fd)
{int fl = fcntl(fd,F_GETFL);//保存旧的文件状态if(fl < 0){//获取错误return;}//获取成功fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);//设置非阻塞
}

非阻塞测试代码：以0号文件描述符(标准输入为例)

read在读取非阻塞文件描述符时，读取错误和底层I/O条件不就绪的返回值都是-1
要区分读取错误和底层I/O条件不就绪，我们只能用错误码的方式进行区分。
若底层I/O条件不就绪，错误码被设置为11，宏表示为EAGAIN 或 EWOULDBLOCK
若read读取时被信号中断，那么错误码会被设置为EINTR
除了上述两种情况以外，就是发生了读取错误

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNonBlock(int fd)
{int fl = fcntl(fd, F_GETFL); // 保存旧的文件状态if (fl < 0){// 获取错误return;}// 获取成功fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞
}int main()
{while (true){char buffer[1024];SetNonBlock(0); // 设置0号文件描述符为非阻塞ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer));if (n > 0){// 读取成功buffer[n] = 0;std::cout << "Echo# " << buffer << std::endl;}else{if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN){// 缓冲区中无数据std::cout << "数据未就绪" << std::endl;}else if(errno == EINTR){std::cout << "读取被信号中断" << std::endl;}else{// 读取错误std::cerr << "读取错误" << std::endl;break;}}sleep(1);}return 0;
}

运行结果：