五种IO模型与非阻塞IO

通常我们进行网络通信其实就是以网络为介质的进程间通信，进程间通信的本质就是 IO（input、output），从进程间的角度出发，IO 是数据的传输和交换，但是站在内存的角度出发，IO 其实的内存和外设之间数据拷贝。

平时我们在使用 read/recv 系统调用接口读取数据的时候，是先从接收缓冲区中读出数据，讲数据读完之后，若还想读，那么就会阻塞，在这个阻塞等待的过程中本质就是在等待数据被发送到接收缓冲区，缓冲区有数据之后进行 IO 就可以读出数据；使用 write/send 系统调用接口发送数据同理，当发送缓冲区满的时候就会阻塞等待，不满的时候就通过 IO 将数据拷贝到发送缓存区。所以对于我们的 IO 操作本质就是等待加上拷贝（IO = 等待 + 拷贝）。

本篇还会介绍非阻塞 IO 的相关接口和代码。

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IO-toc" style="margin-left:80px;">非阻塞IO

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在 IO 过程中，往往拷贝的时间是非常迅速的，然而等待却不知道需要等待多久，所以当我们要设计出高效的 IO 过程时，就需要将减少 IO 等待的时间（比如并行等待多个 IO 过程，同一时段分担多个 IO 等待的时间）。对于 IO 操作而言一共存在 5 中 IO 模型，如下：

阻塞 IO：在内核中将数据准备好之前，系统会一直等待所有的套接字，知道数据来临才进行拷贝。（阻塞 IO 是最常见的 IO 模型）

非阻塞 IO：若内核还没有将数据准备好，系统调用会直接返回，只有当数据准备好系统调用才会直接读写数据（其实就是在等待数据准备的时候，系统会去做其他的事情）。

信号驱动 IO：内核将数据准备好的时候，会使用 SIGIO 信号通知应用进程进行 IO 操作。

IO 多路转接：虽然从流程图上看起来和阻塞 IO 类似，实际上最核心在于 IO 多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态（相当于同时等待多个 IO 操作，哪一个数据准备好了就对哪个进行 IO 操作，对于多路转接 IO，这篇 blog 从代码层面实现了多路转接 IO：XXXXXXXXXX）。

异步 IO：由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序（相当于 IO 操作和自己的任务已经完全分离，既可以做应用自己的任务，又可以做 IO）

对于以上的 IO 操作，效率最高的是多路转接 IO，因为可以同时等待多个数据准备，也就是在同一时间内多路转接等待数据准备的次数更多，自然数据准备的效果更好。

以上第五种 IO 模式为异步 IO，其余四种 IO 模式为同步 IO，对于同步 IO 和异步 IO 的界定方式就是发起 IO 的应用进程是否亲自参与到 IO 的过程中，其他四种方式的 IO，应用进程都参与到了 IO 过程中。

阻塞和非阻塞：阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞：不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

IO">非阻塞IO

当我们想要进行非阻塞 IO 的时候，我们可以使用系统调用 fcntl 来对我们的文件描述符进行设定，将其设定为非阻塞读写的文件描述符，使用方法如下：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );传入的 cmd 的值不同，后面追加的参数也不相同fcntl 函数共有五种功能：
复制一共现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
获得/设置文件描述符标记（cmd=F_GETFD/F_SETFD）
获得/设置文件状态标记（cmd=F_GETFL/F_SETFL）
获得/设置异步IO所有权（cmd=F_GETOWN/F_SETOWN）
获得/设置记录锁（cmd=F_GETLK,F_SETLK/F_SETLKW）

我们将使用如上接口写一个非阻塞 IO 的代码，如下：

Main.cc：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "Common.hpp"int main() {// 将对应的文件描述符设置为非阻塞SetNonBlock(0);char buff[1024];while (true) {// 从键盘读取ssize_t n = read(0, buff, sizeof(buff) - 1);if (n > 0) {buff[n] = 0;std::cout << "echo > " << buff << std::endl;} else if (n == 0) {std::cout << "read done" << std::endl;break;} else {// 当非阻塞读取数据的时候，若没有读到数据返回值小于0if (errno == EWOULDBLOCK) {// 错误码等于EWOULDBLOCK的时候表面底层没有数据，需要轮询读取sleep(1);std::cout << "havn't data, begin to rotate" << std::endl;continue;} else if (errno == EINTR) {// 数据因为被发送的信号而打断接收，重新读取continue;} else {std::cout << "read error" << std::endl;break;}}}return 0;
}

Common.cc：

#pragma once
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>void SetNonBlock(int fd) {// 使用F_GETFL将当前文件描述符的属性取出来（f1当前可以将其看作为位图）int f1 = fcntl(fd, F_GETFL);if (f1 < 0) {std::cout << "SetNonBLock Fail" << std::endl;return;}// 然后使用F_SETFL将文件描述符设置回去，设置回去的同时，加上一个O_NONBLOCK参数fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}

makefile：

testNonBlock:Main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f testNonBlock

测试结果如下：

通常情况下使用的非阻塞 IO 的情况还是较少，因为非阻塞 IO 的轮询会花费较多的 CPU 资源，所以只有在很少的情况下才会使用非阻塞 IO。