IO(輸入/輸出) Back

• Linux系統下I/O模型:
  • 阻塞式I/O
  • 非阻塞式I/O
  • 多路複用I/O
  • 信號驅動I/O

1. 阻塞式IO

• 優點: 結構簡單, 容易同步
• 缺點: 阻塞導致CPU資源浪費
• 通過調用alarm()來進行超時控制
  • 超時到達時產生SIGALARM信號中斷阻塞
  • 多次調用時則無法區分SIGALARM信號是哪一次超時引發, 從而導致無法實現超時控制
• 通過設置socket選項進行超時控制
  • 設置SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO
  • 只需設置一次, 對後來的讀寫操作均有效
  • 不適用於accept和connect

1.1 Read

• 產生阻塞的函數:

  • read()
  • readv()
  • recv()
  • recvfrom()
  • recvmsg()

• 進程喚醒的狀態:

  • TCP以字節為單位, 只要接收緩衝區出現數據則喚醒
  • UDP以數據報為單位, 當完整的數據報到達才喚醒

1.2 Write

• 產生阻塞的函數:

  • write()
  • writev()
  • send()
  • sendto()
  • sendmsg()

• UDP協議寫操作永遠不會阻塞

1.3 Connect

• 產生阻塞的函數:

  • connect()

• TCP下, Client收到Server的SYN字段則表示connect()成功.

• TCP連接操作至少需要一個往返時間
• UDP沒有連接, 故不產生阻塞

1.4 Accpet

• 產生阻塞的函數:
  • accept()

2. 非阻塞式IO

• 優點: 效率提高, 不會產生阻塞
• 缺點: 長期佔用CPU

• 設置socket為非阻塞方式

  • 
    ```c
    int flags;
    flag = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
    fcntl(sockfd, F_SETFL, flag| O_NONBLOCK);
    

  • 
    ```c
    int on = 1;
    ioctl(sockfd, FIONBIO, &on);
    

• return ERROR

  • read(): EWOULDBLOCK
  • write(): EWOULDBLOCK(無空間), 空間不夠則返回實際拷貝字節
  • connect(): EINPROGRESS(啟動三次握手後立即返回), 同一主機上鏈接則立即返回成功
  • accept(): EWOULDBLOCK(沒有鏈接立即返回)

• 檢查操作是否完成

  • 輪詢

    for(;;)
    {
      if(read(sockfd, buf, nbytes) < 0)
      {
          if(errno == EWOULDBLOCK) continue;
          else
          {
              printf("read error\n");
              break;
          }
      }
      else
          break;    //read complete
    }
    

  • 
    ```c
    // set the descriptors set for monitoring
    //...
    select(reset, wrset, exset, ...)
    //read, write ...
    //...
    

3. 多路服用IO

• 只檢查一個socket描述符時和阻塞式IO模型類似, 效率低於阻塞式.
• 檢查多個socket描述符效率則高於阻塞式IO.

• socket描述符就緒的條件:
  • 讀就緒條件:
    • 接收緩衝區中數據量大於等於接受最低限度(默認接受最低限度是1: TCP為1個字節;UDP為1個數據報. 可通過SO_RCVLOWAT修改)
    • 讀通道被關閉, 收到FIN字段
    • 偵聽socket的完成鏈接隊列不為空
    • 非阻塞式socket的connect操作過程出現錯誤
  • 寫就緒條件:
    • 發送緩衝區可用空間大於等於發送最低限度(TCP默認發送最低限度是2048字節, UDP沒有實際的發送緩衝區, 因此總是写就绪. 可通過SO_SNDLOWAT修改)
  • 異常就緒條件(用於帶外數據)

4. 信號驅動IO

• 非阻塞等待IO
• 程序結構簡單, 更適用於UDP協議, 因為TCP在很多環節會產生SIGIO信號, 從而產生混淆, 而UDP只在收到數據報或錯誤時產生SIGIO信號.

• 設置步驟:

  • 1. 設置SIGIO

    void sigio_handler(int signo)
    {
      //...
    }
    

    int sockfd;
    int on = 1;
    signal(SIGIO, sigio_handler);
    

  • 1. 設置socket描述符所有者

    fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());
    

  • 1. 允許socket進行信號驅動IO

    ioctl(sockfd, FIOASYNC, &on);