哈嘍，我是老吳，俺又來分享文章啦!

渾渾噩噩到了 30 歲，距離開滴滴還有 5 年的時間。

還有機會全身而退嗎？

哈哈！

30 而立，今年會是值得拼搏的一年，干它！

以下是正文：

一、Linux 的 5 種 IO 模型
二、如何使用信號驅動式 I/O？
三、內核何時會發(fā)送 "IO 就緒" 信號？
四、最簡單的示例
五、擴展知識

一、Linux 的 5 種 IO 模型

阻塞式 I/O：

系統(tǒng)調用可能因為無法立即完成而被操作系統(tǒng)掛起，直到等待的事件發(fā)生為止。

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非阻塞式 I/O (O_NONBLOCK)：

系統(tǒng)調用則總是立即返回，而不管事件是否已經(jīng)發(fā)生。

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I/O 復用 (select、poll、epoll)：

通過 I/O 復用函數(shù)向內核注冊一組事件，內核通過 I/O 復用函數(shù)把其中就緒的事件通知給應用程序。

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信號驅動式 I/O (SIGIO)：

為一個目標文件描述符指定宿主進程，當文件描述符上有事件發(fā)生時，SIGIO 的信號處理函數(shù)將被觸發(fā)，然后便可對目標文件描述符執(zhí)行 I/O 操作。

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異步 I/O (POSIX 的 aio_ 系列函數(shù))：

異步 I/O 的讀寫操作總是立即返回，而不論 I/O 是否是阻塞的，真正的讀寫操作由內核接管。

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思考一下，什么時候應該選擇何種 I/O 模型？為何要這么選擇？

下面重點關注信號驅動式 I/O 這一模型，其他模型可查閱文末參考書籍。

二、如何使用信號驅動式 I/O？

一般通過如下 6 個步驟來使用信號驅動式 I/O 模型。

1> 為通知信號安裝處理函數(shù)。

通過 sigaction() 來完成：

intsigaction(intsignum,conststructsigaction*act,structsigaction*oldact);

默認情況下，這個通知信號為 SIGIO。

2> 為文件描述符的設置屬主。

通過 fcntl() 的 F_SETOWN 操作來完成：

fcntl(fd,F_SETOWN,pid)

屬主是當文件描述符上可執(zhí)行 I/O 時，會接收到通知信號的進程或進程組。

pid 為正整數(shù)時，代表了進程 ID 號。

pid 為負整數(shù)時，它的絕對值就代表了進程組 ID 號。

3> 使能非阻塞 I/O。

通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：

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

4> 使能信號驅動 I/O。

通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：

flags=fcntl(fd,F_GETFL);
fcntl(fd,Ｆ_SETFL,flags|O_ASYNC);

5> 進程等待 "IO 就緒" 信號的到來。

當 I/O 操作就緒時，內核會給進程發(fā)送一個信號，然后調用在第 1 步中安裝好的信號處理函數(shù)。

6> 進程盡可能多地執(zhí)行 I/O 操作。

循環(huán)執(zhí)行 I/O 系統(tǒng)調用直到失敗為止，此時錯誤碼為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

原因：

信號驅動 I/O 提供的是邊緣觸發(fā)通知，即只有當 I/O 事件發(fā)生時我們才會收到通知，

且當文件描述符收到 I/O 事件通知時，并不知道要處理多少 I/O 數(shù)據(jù)。

三、內核何時會發(fā)送 "IO 就緒" 信號？

對于不同類型的文件描述符，情況不一樣。

1> 終端

• 對于終端，當有新的輸入時會會產生信號。

2> 管道和 FIFO

對于讀端，下列情況會產生信號：

• 數(shù)據(jù)寫入到管道中;
• 管道的寫端關閉;

對于寫端，下列情況會產生信號：

• 對管道的讀操作增加了管道中的空余空間大小。
• 管道的讀端關閉;

3> 套接字

對于 UDP 套接字，下列情況會產生信號：

• 數(shù)據(jù)報到達套接字；
• 套接字上發(fā)生異步錯誤;

對于 TCP 套接字，信號驅動式 I/O 近乎無用。

• 太多情況都會產生信號，而我們又無法得知事件類型，因此這里就不再列舉其產生信號的情況。

四、最簡單的示例

信號處理函數(shù)：

staticvolatilesig_atomic_tgotSigio=0;

staticvoidhandler(intsig)
{
gotSigio=1;
}

主程序：

intmain(intargc,char*argv[])
{
intflags,j,cnt;
structtermiosorigTermios;
charch;
structsigactionsa;
intdone;

/*Establishhandler*/
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags=SA_RESTART;
sa.sa_handler=handler;
if(sigaction(SIGIO,&sa,NULL)==-1){
perror("sigaction()
");
exit(1);
}

/*Setownerprocess*/
if(fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid())==-1){
perror("fcntl()/F_SETOWN
");
exit(1);
}

/*Enable"I/Opossible"signalingandmakeI/Ononblocking*/
flags=fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);
if(fcntl(STDIN_FILENO,F_SETFL,flags|O_ASYNC|O_NONBLOCK)==-1){
perror("fcntl()/F_SETFL
");
exit(1);
}

for(done=0,cnt=0;!done;cnt++){
sleep(1);

if(gotSigio){
gotSigio=0;

/*Readallavailableinputuntilerror(probablyEAGAIN)
orEOF*/
while(read(STDIN_FILENO,&ch,1)>0&&!done){
printf("cnt=%d;read%c
",cnt,ch);
done=ch=='#';
}
}
}
exit(0);
}

運行效果：

./build/sigio
a
cnt=0;reada
cnt=0;read

abc
cnt=4;reada
cnt=4;readb
cnt=4;readc
cnt=4;read

#
cnt=7;read#

該程序會先使能信號驅動 IO，然后循環(huán)執(zhí)行計數(shù)操作。

當有 IO 就緒信號到來時，會去終端讀取數(shù)據(jù)并打印出來，然后繼續(xù)執(zhí)行計數(shù)操作。

五、擴展知識

I/O 多路復用 、信號驅動 I/O 以及 epoll 機制可用于監(jiān)視多個文件描述符。

它們并不實際執(zhí)行 I/O 操作，當某個文件描述符處于就緒態(tài)，仍需采用傳統(tǒng)的 I/O 系統(tǒng)調用來完成 I/O 操作。

相比 I/O 多路復用，當監(jiān)視大量的文件描述符時信號驅動 I/O 有著顯著的性能優(yōu)勢，原因是內核能夠幫進程記錄了正在監(jiān)視的文件描述符列表。

信號驅動 I/O 的缺點:

• 信號的處理流程較為復雜;

• 無法指定需要監(jiān)控的事件類型。

Linux 特有的 epoll 是一個更好的選擇。

六、相關參考

UNIX 網(wǎng)絡編程卷1

• 6.2 I/O模型
• 25 信號驅動式I/O

Linux-UNIX 系統(tǒng)編程手冊

• 63 其他備選的I/O模型

Linux 高性能服務器編程

• 8.3 I/O 模型

Linux 多線程服務端編程_使用muduo C++網(wǎng)絡庫

• 7.4.1 muduo的IO模型

審核編輯 ：李倩