文件IO——如何实现非阻塞式IO？

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一、阻塞式IO

1、阻塞式的概念

我们知道，有些函数在调用时（比如网络编程中的recv函数），如果某些条件不满足，则会进入等待状态，直到条件满足才去执行操作并返回。这种函数就叫做阻塞式函数。在文件IO中，阻塞式函数（或者API）有wait、pause、sleep等函数。

另外，使用read或write某些文件时（read和write函数本身不是阻塞式的），文件对应的对象可能是阻塞式的，比如键盘和鼠标就是阻塞式设备。

Linux系统默认使用阻塞式。

2、阻塞式的缺点

阻塞式的设计，既有它的好处，也有它的困境。它的好处是简单容易实现，有利于充分发挥CPU的性能。

它的缺点，我们用一个例子说明。上面提及，键盘和鼠标都是阻塞式设备。

1、在程序中读取键盘

比如执行下面这段代码，read函数会等待键盘输入完成（因为shell是行缓冲的，输入回车时表示输入完成，不按下回车就表示输入还没有结束），从而阻塞。

int main(void)
{// 读取键盘// 键盘就是标准输入，stdinchar buf[100];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、 在程序中读取鼠标

比如执行下面这段代码。（这里我们先使用cat命令来查看使用的鼠标对应哪个文件，以便在代码中open时使用。）代码执行后，移动鼠标屏幕有数据输出。

int main(void)
{// 读取鼠标int fd = -1;char buf[200];fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);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;
}

3、 在程序中同时读取鼠标与键盘

我们希望实现动键盘就显示键盘的内容，动鼠标就显示鼠标的内容。

但是下面的程序的现象却是：如果顺着程序，先鼠标再键盘则顺利显示；如果先键盘的话，会被鼠标阻塞住。

#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;char buf[200];fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}memset(buf, 0, sizeof(buf));printf("before 鼠标 read.\n");read(fd, buf, 50);printf("鼠标读出的内容是：[%s].\n", buf);// 读键盘memset(buf, 0, sizeof(buf));printf("before 键盘 read.\n");read(0, buf, 5);//键盘就是标准输入，stdin，用0表示，它是默认打开的。printf("键盘读出的内容是：[%s].\n", buf);return 0;
}

二、非阻塞式IO

1、实现非阻塞式IO的两种方法

如何实现非阻塞式IO呢？有两种方法：

（1）方法一：打开文件时添加O_NONBLOCK标志。

（2）方法二：普通打开文件后，使用fcntl函数设置文件描述符的属性。

2、代码示例

分别利用O_NONBLOCK标志、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。

#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;//方法一：利用O_NONBLOCK标志将鼠标设置为非阻塞式的  fd = open("/dev/input/mouse1", O_RDONLY | O_NONBLOCK);if (fd < 0){perror("open:");return -1;}//方法二：利用fcntl函数设置键盘为非阻塞式的                                   // 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;
}

三、并发式IO的解决方案（解决多路阻塞式IO的方案）

由上面的例子引出话题：并发式IO的解决方案，或者说多路阻塞式IO的解决方案。

比如上面的例子中，鼠标与键盘都是阻塞式的IO设备（即多路阻塞），它们可能同时启动与输入数据（即并发式）。在上面例子中，我们使用fcntl函数和O_NONBLOCK标志解决了阻塞的问题，但是性能不是很好。其实还可以利用多路复用IO、异步IO、存储映射IO来解决阻塞的问题。

1、多路复用IO

（1）方法原理

多路复用IO英文为“ IO multiplexing ”，主要用于解决多路阻塞式IO的问题。

它涉及select函数、poll函数，这两个函数的设计思想一样，只是外部特征不一样，我们可以任选其一来完成功能。

它的实现原理是：外部阻塞式（select函数本身是阻塞式的），内部自动轮询多路阻塞式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）代码示例

1）比如使用select函数实现同时读取鼠标键盘。

 int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

在代码中设置了超时时间，即阻塞时间不能太长，如果很久没有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;//+1，是因为0~fd，则共有fd+1个文件描述符ret = select(fd+1, &myset, NULL, NULL, &tm);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;
}

2）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、异步IO

（1）方法原理

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。

异步IO的工作方法是：我们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去处理这个异步事件。

主要涉及两个函数：fcntl函数（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）），以及signal或者sigaction（SIGIO）函数。

（2）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;
}

3、存储映射IO

该方法体现在mmap函数，将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，比如IPC之共享内存。

由于共享而不是复制，减少内存操作，处理大文件时效率高（一般用于视频处理）。

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