高级IO之非阻塞IO和阻塞IO

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非阻塞 I/O（Input/Output）是一种在进行文件和套接字操作时不阻塞进程的机制。在 Linux 中，非阻塞 I/O 可以通过设置文件描述符（File Descriptor）为非阻塞模式来实现。

文件描述符的非阻塞设置

1. 使用 fcntl 函数：

#include <fcntl.h>

int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);

上述代码将文件描述符 fd 设置为非阻塞模式。

1. 使用 ioctl 函数：

#include <sys/ioctl.h>

ioctl(fd, FIONBIO, &arg);  // 其中 arg 为 0 表示阻塞，为 1 表示非阻塞

这将 fd 设置为非阻塞（arg 为 1）或阻塞（arg 为 0）。

非阻塞 I/O 操作

1. 非阻塞读取：

ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
    // 没有数据可读，可以稍后再试或进行其他操作
} else {
    // 读取成功，处理数据
}

1. 非阻塞写入：

ssize_t n = write(fd, buf, sizeof(buf));
if (n == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
    // 写入缓冲区已满，可以稍后再试或进行其他操作
} else {
    // 写入成功，继续写入或进行其他操作
}

select 和 poll 函数

1. 使用 select 函数：

#include <sys/select.h>

fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(fd, &read_fds);

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;  // 设置超时时间为 5 秒
timeout.tv_usec = 0;

int ready = select(fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ready == -1) {
    // 处理错误
} else if (ready == 0) {
    // 超时，没有数据可读
} else {
    // 文件描述符 `fd` 上有数据可读
}

1. 使用 poll 函数：

#include <poll.h>

struct pollfd fds[1];
fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;

int ready = poll(fds, 1, 5000);  // 设置超时时间为 5000 毫秒
if (ready == -1) {
    // 处理错误
} else if (ready == 0) {
    // 超时，没有数据可读
} else {
    // 文件描述符 `fd` 上有数据可读
}

这些函数和方法允许在进行 I/O 操作时检查文件描述符的状态，从而避免阻塞。非阻塞 I/O 对于需要实时响应的应用程序非常有用，例如网络通信、事件驱动的系统等。

非阻塞I/O的优缺点

非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）是一种在进行文件和套接字操作时，应用程序可以在操作未完成的情况下继续执行其他任务的机制。以下是非阻塞 I/O 的优点和缺点：

优点

1. 高并发性：
   • 非阻塞 I/O 允许应用程序同时处理多个连接或文件，提高了系统的并发性。
2. 实时响应：
   • 由于应用程序可以在 I/O 操作进行的同时执行其他任务，非阻塞 I/O 有助于提高系统的实时响应性。
3. 资源利用率高：
   • 在等待 I/O 操作完成时，应用程序不会被阻塞，系统可以调度其他任务，提高了系统资源的利用率。
4. 避免死锁：
   • 非阻塞 I/O 操作减少了在多线程或多进程环境中发生死锁的风险，因为应用程序可以处理未完成的操作而不是等待。
5. 适用于事件驱动模型：
   • 非阻塞 I/O 适用于事件驱动的应用程序，允许程序在事件发生时及时响应，而不必等待 I/O 操作完成。

缺点

1. 复杂性增加：
   • 非阻塞 I/O 模型相对于阻塞 I/O 更为复杂，因为应用程序需要管理和处理未完成的 I/O 操作。
2. 编程难度提高：
   • 编写使用非阻塞 I/O 的程序可能会更加复杂，需要考虑状态管理、错误处理等方面的问题。
3. 部分系统不支持：
   • 有些系统对非阻塞 I/O 的支持不完整，可能需要特殊的操作系统或硬件支持。
4. 可能增加系统负担：
   • 在某些情况下，频繁地进行非阻塞轮询可能会增加系统的负担，因为需要不断地检查 I/O 操作的状态。
5. 可能导致忙等待：
   • 如果不使用适当的等待机制，非阻塞 I/O 可能导致忙等待，消耗系统资源。

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非阻塞 I/O 可以通过设置文件描述符为非阻塞模式，以及使用适当的系统调用来实现并发读取。下面是一个简单的示例，演示如何使用非阻塞 I/O 实现并发读取：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int set_nonblocking(int fd) {
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    if (flags == -1) {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }

    flags |= O_NONBLOCK;

    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 设置文件描述符为非阻塞模式
    if (set_nonblocking(fd) == -1) {
        return 1;
    }

    char buffer[1024];
    ssize_t n;

    // 进行并发读取
    while (1) {
        n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));

        if (n == -1) {
            if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                // 没有数据可读，可以执行其他任务或等待
                printf("No data available for now.\n");
            } else {
                perror("read");
                break;
            }
        } else if (n == 0) {
            // 文件读取完成
            break;
        } else {
            // 处理读取的数据
            printf("Read %zd bytes: %.*s\n", n, (int)n, buffer);
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

上述代码中的 set_nonblocking 函数用于将文件描述符设置为非阻塞模式。在主循环中，通过不断尝试非阻塞读取，可以实现并发读取的效果。如果当前没有数据可读，则 read 函数会返回 -1，并且 errno 会被设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK，表示当前没有数据可用，可以执行其他任务或等待。这样，程序可以不阻塞地进行其他操作，实现并发性。

总体而言，非阻塞 I/O 适用于需要高并发、实时响应性的场景，如网络服务器、事件驱动应用等。在正确使用的情况下，非阻塞 I/O 能够提高系统的性能和吞吐量。

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在 Linux 中，阻塞 I/O（Input/Output）是一种默认的 I/O 操作方式，即当应用程序发起 I/O 操作时，如果操作无法立即完成，应用程序将被阻塞（暂停执行）直到操作完成。

阻塞 I/O 操作的示例

1. 阻塞读取

#include <unistd.h>

char buf[1024];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n == -1) {
    // 处理读取错误
} else {
    // 处理读取成功的数据
}

如果文件描述符 fd 上没有可用的数据，read 操作将阻塞等待，直到有数据可读或发生错误。

1. 阻塞写入

#include <unistd.h>

char buf[1024];
ssize_t n = write(fd, buf, sizeof(buf));
if (n == -1) {
    // 处理写入错误
} else {
    // 处理写入成功
}

如果文件描述符 fd 上的写入缓冲区已满，write 操作将阻塞等待，直到有空间可用或发生错误。

阻塞 I/O 的特点

1. 等待时间：
   • 阻塞 I/O 操作可能需要等待很长时间，直到操作完成。
2. 系统资源利用率：
   • 在 I/O 操作等待期间，应用程序将被暂停，系统可以调度其他进程执行。
3. 适用性：
   • 阻塞 I/O 适用于许多应用程序，尤其是简单的顺序执行程序。

阻塞 I/O 的应用场景

1. 传统文件操作：
   • 阻塞 I/O 对于传统的文件读写操作是合适的。
2. 网络通信：
   • 阻塞 I/O 在处理网络通信时常用于简单的场景，但可能在需要实时响应的应用中表现不佳。
3. 文件系统操作：
   • 阻塞 I/O 适用于对本地文件系统进行的读写和文件操作。

尽管阻塞 I/O 在某些场景下表现良好，但在需要处理大量并发请求、实时响应的场景中，非阻塞 I/O 或异步 I/O 更常被使用。非阻塞 I/O 允许应用程序在 I/O 操作完成之前继续执行其他任务，从而提高系统的响应性。

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阻塞 I/O（Blocking I/O）是一种默认的 I/O 操作方式，其优点和缺点如下：

优点

1. 简单易用：
   • 阻塞 I/O 模型相对简单，易于理解和使用，适用于一些简单的顺序执行程序。
2. 稳定可靠：
   • 阻塞 I/O 在大多数情况下是稳定可靠的，适用于一些不要求高并发、实时响应的应用场景。
3. 易于调试：
   • 阻塞 I/O 下程序的执行顺序更为明确，对于调试和排错来说相对容易。
4. 资源占用低：
   • 在 I/O 操作等待期间，应用程序会暂时阻塞，系统可以调度其他进程执行，从而提高系统资源的利用率。

缺点

1. 低并发性：
   • 阻塞 I/O 在处理多个并发请求时表现不佳，因为一个操作的完成需要等待，可能导致系统资源的浪费。
2. 实时性差：
   • 阻塞 I/O 操作可能需要很长时间才能完成，对于需要实时响应的应用程序，可能无法满足其要求。
3. 死锁风险：
   • 在多线程或多进程环境中，阻塞 I/O 操作可能导致死锁，因为一个线程或进程的 I/O 操作可能会阻塞其他线程或进程。
4. 不适用于事件驱动：
   • 阻塞 I/O 不适用于需要事件驱动、高并发和实时性要求高的应用程序，如网络服务器、实时系统等。
5. 资源浪费：
   • 在等待 I/O 操作完成的过程中，CPU 和其他系统资源可能被浪费，特别是在处理大量并发请求时。

总体而言，阻塞 I/O 适用于一些简单的应用场景，但在面对高并发、实时性要求高的场景时，非阻塞 I/O 或者异步 I/O 更为常见。这些模型可以更好地利用系统资源，提高系统的并发性和响应性。