高级IO（五种IO模型介绍）

一、IO为什么慢？

1. IO操作往往都是和外设交互，比如键盘、鼠标、打印机、磁盘。而最常见的就是内存与磁盘的交互，要知道磁盘是机械设备，需要机械运转来存取数据，所以比较慢。
2. IO本质是：等+拷贝时间往往消耗在等上，等待键盘输入就绪、文件描述符就绪、硬件中断就绪…

  外设就绪慢是相较于 CPU 来说的，它本身是很快，我们感知不到。   IO的拷贝很快的，慢大部分时间都花在等上，所以接下来我们就从“等”下手，去解决IO慢的问题。

IO 效率高？单位时间内，传输的数据量越大，IO 效率越高。

下面讲解的五种IO模型，我们从一个钓鱼例子引入：

• 张三：全神贯注的盯着鱼漂，本着鱼漂不动我不动的原则，尽管马蜂扑他脸上。（阻塞）
• 李四：不会因为鱼不上钩就紧紧盯着什么也不干，而是边做其他事情，刷刷快手抖音，写写博客啥的。（非阻塞）
• 王五（聪明人）：鱼竿顶部加铃铛，他比李四好一些，不用时不时地去看鱼漂。（信号驱动）
• 赵六（富人）：拖来一卡车100支鱼竿，全部用来钓鱼，然后只用左右检查是否有鱼竿钓到鱼。（多路复用）

在这里插入图片描述

• 田七（大老板）：他知道他不是喜欢钓鱼，而是喜欢吃鱼。派小王去钓鱼，他干自己的事，到时候负责吃就行。（异步IO）

一、阻塞IO

  张三钓鱼的例子就是阻塞IO，它的特点是在内核将数据准备好之前，系统调⽤会⼀直等待。所有的套接字，默认都是阻塞⽅式。阻塞IO是最常见的IO模型。如下应用程序与内核的交互：

在这里插入图片描述

二、非阻塞IO

  ⾮阻塞IO：如果内核还未将数据准备好，系统调⽤仍然会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码。   ⾮阻塞IO往往需要程序员循环的⽅式反复尝试读写⽂件描述符，这个过程称为轮询。这对CPU来说是较⼤的浪费，⼀般只有特定场景下才使⽤。

在这里插入图片描述

阻塞和⾮阻塞关注的是程序在等待调⽤结果（消息，返回值）时的状态。

• 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。
• ⾮阻塞调⽤指在不能⽴刻得到结果之前，该调⽤不会阻塞当前线程。

文件默认情况下就是阻塞IO不用我们去修改，那么我们想要设置非阻塞IO要怎么做呢？

• 方法一：在文件open打开时添加O_NONBLOCK标准位即可。 如果在文件打开之后想要设非阻塞IO呢？
• 方法二：使用函数fcntl，需要包含头文件unistd.h和fcntl.h

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

参数：

• fd：文件描述符（如 ```socket``、普通文件等）。
• cmd：控制命令（如 F_GETFL、F_SETFL等）。
  • F_GETL：获取当前文件描述符的标志，如 O_RDONLY、O_NONBLOCK等。
  • F_SETFL：设置文件描述符的标志。
• arg：可选参数，取决于 cmd。

返回值：

• 成功时返回值取决于 cmd，F_GETFL成功时返回状态标志符，F_SETFL成功时返回0，失败时都返回-1。
• 失败时返回 -1，并设置 errno（如 EBADF 无效描述符）。

获取原标志符：int fg = fcntl(fd，F_GETFL); 设置O_NONBLOCK标志位：fcntl(fd, F_SETFL, fg | O_NONBLOCK)

  我们以read为例，当将文件设为非阻塞后，我们再去读取数据，即使数据没就绪，也不会把程序挂起，而是直接返回一个小于0的结果继续往下执行。所以数据并不一定一次read就读取到，需要我们反复去read，也就是轮询。   不过还有一个问题，read失败返回值小于0，因为数据未就绪返回值也是小于0，那么我们怎么区分呢？其实这两种结果都有不同的erron错误参数，到时候拿erron去匹配就行，即：

• EWOULDBLOCK或EAGAIN：都表示数据未就绪。因为历史版本原因所以有两个版本，它们的值都是11，任意使用一个即可。
• EINTR：因信号中断导致的读书失败。
• 其他：read读取错误。

测试示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int fd = 0;
    //获取标志符
    int fn = fcntl(fd, F_GETFL);
    //增加O_NONBLOCK并设置
    fcntl(fd, F_SETFL, fn | O_NONBLOCK);
    int count = 0;
    while(1)
    {
        char buffer[1024];
        int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout<<buffer<<endl;
            sleep(1);
        }
        else if(n < 0)
        {
            if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
            {
                cout<<"文件未就绪..."<<endl;
                sleep(2);
            }
            else if(errno == EINTR)
            {
                cout<<"信号中断..."<<endl;
                continue;
            }
            else
            {
                perror("read fail\n");
                break;
            }
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    return 0;
}

三、信号驱动IO

信号驱动IO：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。

在这里插入图片描述

工作流程

• 注册信号处理程序：应用进程首先使用 sigaction系统调用，建立针对特定信号（通常是 SIGIO）的信号处理程序。在这一步，进程告知内核，当特定的 I/O 事件发生时，应该触发哪个信号处理函数。
• 设置文件描述符：应用进程需要将相关的文件描述符（如套接字描述符）设置为信号驱动 I/O 模式，并指定该文件描述符的属主（通常使用fcntl 系统调用的 F_SETOWN命令设置属主为当前进程 ）。这一步确保内核知道当 I/O 事件就绪时，应该向哪个进程发送信号。
• 内核等待数据：完成上述设置后，应用进程可以继续执行其他任务，而内核开始等待数据到达。当数据报准备好（比如有数据到达套接字 ）时，内核会向应用进程发送预先设置好的信号（如SIGIO ）。
• 信号处理：应用进程接收到SIGIO 信号后，会暂停当前正在执行的任务，转而执行之前注册的信号处理程序。在信号处理程序中，通常会调用诸如recvfrom 这样的函数来读取数据。在数据从内核拷贝到用户空间的应用缓冲区期间，进程会阻塞（这是信号处理函数内部执行具体 I/O 操作时的阻塞 ），直到数据拷贝完成。
• 处理数据：数据读取完成后，信号处理程序执行结束，进程恢复之前被暂停的任务，或者开始对读取到的数据进行处理。

四、IO多路复用

  IO多路复用允许单个线程/进程同时监控多个文件描述符（如套接字、管道等）的 I/O 事件，并在任一描述符就绪时进行读写操作。它是高并发网络编程的核心技术之一。是真正意义上的高效 I/O 处理机制，它在单位时间内增加了传输效率，而其他四个只是在利用等的时间而已，并没有提高IO效率。

在这里插入图片描述

核心思想

• 统一监控：通过系统调用（如select、poll、epoll）一次性注册多个文件描述符，由内核通知哪些描述符已就绪（可读/可写/异常）。
• 避免阻塞轮询：无需为每个描述符创建独立线程，节省资源。
• 单线程高并发：一个线程即可处理成千上万的连接（如 Nginx、Redis 的底层模型）。

  关于IO多路复用的很重要，涉及select/poll/epoll，有繁多的细节和复杂的底层逻辑，统一放在下一章进行讲解。

五、异步IO

在这里插入图片描述

  核心思想是 “发起 I/O 请求后立即返回，由内核完成所有操作（包括数据拷贝），并通过回调或信号通知进程结果”。与同步 I/O 不同，进程无需等待 I/O 完成即可继续执行其他任务，真正实现 非阻塞 和 完全异步。

异步IO特性

• 非阻塞调用：调用 I/O 函数（如 aio_read）立即返回，不阻塞进程。
• 内核全权处理：内核负责数据准备、拷贝到用户空间，全程无需进程参与。
• 通知机制：操作完成后，内核通过回调、信号或事件通知进程。
• 全程无等待：进程从发起请求到获取结果均无需阻塞，最大化利用 CPU。

非常感谢您能耐心读完这篇文章。倘若您从中有所收获，还望多多支持呀！

​