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一、Linux 的 5 種 IO 模型

二、如何使用信號驅(qū)動式 I/O？

三、內(nèi)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(diào)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(diào)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(nèi)核注冊一組事件，內(nèi)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(qū)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(nèi)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(qū)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(qū)動式 I/O？

一般通過如下 6 個步驟來使用信號驅(qū)動式 I/O 模型。

1》為通知信號安裝處理函數(shù)。

通過 sigac tion（）來完成：

int sigaction（int signum， const struct sigaction *act， struct sigaction *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(qū)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(nèi)核會給進程發(fā)送一個信號，然后調(diào)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(diào)用直到失敗為止，此時錯誤碼為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

原因：

信號驅(qū)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(nèi)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(chǎn)生信號。

2》管道和 FIFO

對于讀端，下列情況會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)動式 I/O 近乎無用。

太多情況都會產(chǎn)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(chǎn)生信號的情況。

四、最簡單的示例

信號處理函數(shù)：

static volatile sig_atomic_t gotSigio = 0; static void handler（int sig） { gotSigio = 1; }

主程序：

int main（int argc， char *argv［］） { int flags， j， cnt; struct termios origTermios; char ch; struct sigaction sa; int done; /* Establish handler */ sigemptyset（&sa.sa_mask）; sa.sa_flags = SA_RESTART; sa.sa_handler = handler; if （sigaction（SIGIO， &sa， NULL） == -1） { perror（“sigaction（） ”）; exit（1）; } /* Set owner process */ if （fcntl（STDIN_FILENO， F_SETOWN， getpid（）） == -1） { perror（“fcntl（） / F_SETOWN ”）; exit（1）; } /* Enable “I/O possible” signaling and make I/O nonblocking */ 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; /* Read all available input until error （probably EAGAIN） or EOF */ 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; read a cnt=0; read abc cnt=4; read a cnt=4; read b cnt=4; read c cnt=4; read # cnt=7; read #

該程序會先使能信號驅(qū)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(qū)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(diào)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(qū)動 I/O 有著顯著的性能優(yōu)勢，原因是內(nèi)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(qū)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。