【Linux网络】I/O 世界的技术之旅：探索五种模型与 fcntl 函数的魅力

怎么理解IO？

IO就是input，output，参照物是计算机本身，是计算机系统内部和外部设备进行交互的过程。

input,output参考的对象是计算机本身，input就是相对计算机来说就是向计算机输入，output就是相对计算机来说是向外部设备输出。

IO执行的行为差不多就是等待+拷贝。

IO=等待+拷贝（等待是主要矛盾）

等待外部设备就绪，当外部设备准备好了以后，通过CPU的针脚发送中断信号告知操作系统。操作系统转入内核态，进行拷贝工作。

所以IO基本上就是等待+拷贝这个两个动作。

高效IO

上面说的IO=等待+拷贝

在大多数情况下，时间都浪费在等待上面，因为和等待相比，拷贝要花的时间比等待的时间少的多。

高效的IO就是等待时间变少，拷贝的时间的比重增加。

第一种IO模型：阻塞IO模型

理解阻塞IO

阻塞IO相当于当上层进行系统调用，当外部设备没有准备好的时候，就会一直在等待数据准备好，如果没有准备好，就会一直在等待，不会做任何事情。准备好了以后，就把数据从内核拷贝到用户空间。然后向上层返回成功标识符。

在钓鱼的例子中： 张三去钓鱼，大部分时间在等待鱼上钩（是外界的准备条件，和张三没有关系，也就是说外部设备多久准备好是和计算机无关的）（Like us，we are not meet again，meeting is something l can't determine）。 张三在等待鱼上钩的这段时间，一直看着鱼漂，不做其他的事情。

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

第二种IO模型：非阻塞IO模型

非阻塞IO和阻塞IO最大额区别就是，非阻塞IO在没有数据的时候，直接进行返回，不会等待，并且返回EWOULDBLOCK错误码。

非阻塞IO减少

在man手册中，也有说明。

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void SetNoBlock(int fd)
{
    int info=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(info<0)
    {
        perror("fcntl error");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,info|O_NONBLOCK);
    return;
}

int main()
{
    SetNoBlock(0);
    while(1)
    {
        sleep(3);
        char buff[1024]={0};
        ssize_t n=read(0,buff,sizeof(buff)-1);
        if(n<0)
        {
            perror("read error");
            
            continue;
        }

        buff[n]=0;
        cout<<buff<<endl;

    }
    return 0;
}

在钓鱼例子中： 李四在把鱼竿抛出去以后，就去干了一会其他的事情，然后就看一下鱼漂有没有动，看一下有没有鱼，然后发现没有鱼，又去干其他的事情。过了一会又来看有没有鱼，又没有鱼，又去干其他的事情。一直这么循环（轮询），到有鱼的时候，就起竿钓上鱼。

第三种IO模型：信号驱动IO模型

内核将数据准备好的时候, 使用 SIGIO 信号通知应用程序进行 IO操作。

和非阻塞IO的区别就是，不会去循环检测（不会去做无用工），而是真正有数据的时候，会发SIGIO信号，这样再次IO的时候，就会成功了。

在钓鱼例子中： 王五不再和李四一样，时不时就去看一下鱼漂有没有动，而是在鱼漂上直接挂了一个铃铛🛎🛎🛎，当鱼来了的时候，数据有的时候，就去起竿。

第四种IO模型：IO多路转接模型

select，poll，epoll都是多路转接，后面就有文章进行详细讲解。

它通过允许单个线程同时监控多个文件描述符的I/O状态，避免了为每个I/O操作创建单独线程所带来的资源消耗和上下文切换开销。

select：适用于小规模并发场景，但效率较低，因为它需要遍历所有文件描述符。 poll：类似于select，但没有文件描述符数量的限制，适用于更大的并发量。 epoll（仅限Linux）：通过事件驱动机制高效地处理大量文件描述符，性能优于select和poll。 kqueue（仅限BSD系统）：类似于epoll，支持高效的事件通知机制。

看下面的图好像和阻塞IO没有区别，但是重点就是多路转接可以一次等待几个文件，等待几个文件的状态（一切皆文件嘛）。

在钓鱼例子中： 赵六拿了很多的鱼竿， 一个人就管理多个鱼竿，调起鱼的概率更大，也就是拷贝的时间的比重增加，就是高效的IO。

第五种IO模型：异步IO模型

上面的四种都是同步IO。参与了等待和拷贝的任意一个动作就是同步IO。

他们参与了等待或者拷贝这两个动作的其中一个或者两个。在阻塞IO中，参与了等待和拷贝，在非阻塞IO中，最起码参与了拷贝，所以也是同步IO。多路转接管理多个文件，也可以设置为非阻塞多路转接。

异步IO就直接返回，等待+拷贝都让系统来做。弄好以后就通过事件，信号等告知已经处理好了。

在钓鱼例子中： 田七钓鱼，但是不自己调，不自己等待，也不自己起竿（拷贝过程），全交给他的朋友。当鱼钓好了，就打电话通知田七，这就是异步IO。

同步通信和异步通信

同步通信就是要参与等待和拷贝的过程，参与了一个就是同步。

异步通信是也要进行拷贝和等待，但是两个过程都交给系统去做了。调用者不需要关心这两个过程就可以了。等系统处理好，就可以通知调用者。

另外，线程同步和线程互斥不是这样的概念.

线程同步和线程互斥是为了保护临界资源，保证资源的一致性。

阻塞和非阻塞

阻塞调用是指，在调用成功之前，线程会被挂起，在得到结果以后才会被返回。

而非阻塞直接进行返回，该调用不会阻塞线程。

fcntl函数

一个文件描述符，默认是阻塞的。

函数原型

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

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

cmd是命令，是要操作的类型。主要的操作类型有：

1.获取，设置文件状态信息：cmd=F_GETFL，F_SETFL。

2.复制现有的描述符，cmd=F_DUPFD。

3.获取，设置文件描述符标识，cmd=F_GETFD，F_SETFD。

4.获取，设置异步IO所有权，cmd=F_GETOWN，F_SETOWN。

5.获取、设置记录锁，cmd=F_GETLK，F_SETLK，F_SETLKW。

根据cmd的不同，可能需要传递额外的参数，比如set类的，就要加入文件状态信息。比如O_NONBLOCK，就是设置非阻塞信息。

F_DUPFD功能

在F_DUPFD中，返回的是新的文件描述符，后面可以设置新的文章描述符的最小值。如果这个值被占用，就是生成比这个值更大的了。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>


using namespace std;

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

    int new_fd = fcntl(fd, F_DUPFD, 20); // 复制文件描述符，新描述符值大于等于10
    if (new_fd == -1) {
        perror("fcntl");
        close(fd);
        return 1;
    }


    printf("Original fd: %d, New fd: %d\n", fd, new_fd);
    cout<<"fd:"<<fcntl(fd,F_GETFL)<<",New fd:"<<fcntl(new_fd,F_GETFL)<<endl;
    close(new_fd);
    close(fd);
    return 0;
}

F_GETFL和F_SETFL功能

使用 F_GETFL 和 F_SETFL 命令可以获取和设置文件状态标志。文件状态标志包括 O_APPEND、O_NONBLOCK 。

非阻塞：O_NONBLOCK。

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void SetNoBlock(int fd)
{
    int info=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(info<0)
    {
        perror("fcntl error");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,info|O_NONBLOCK);
    return;
}

int main()
{
    SetNoBlock(0);
    while(1)
    {
        sleep(3);
        char buff[1024]={0};
        ssize_t n=read(0,buff,sizeof(buff)-1);
        if(n<0)
        {
            perror("read error");
            
            continue;
        }

        buff[n]=0;
        cout<<buff<<endl;

    }
    return 0;
}

结束语

至此，我们已经深入探讨了计算机科学中的诸多重要概念，包括I/O操作、线程同步与互斥、文件描述符管理等。理解这些概念对于编写高效、可靠的程序至关重要。希望本文能够为您的学习和实践提供有益的参考。如果您在实际编程中遇到任何问题，建议查阅相关文档或进一步研究具体案例。感谢您的阅读，祝您在编程的道路上不断进步！