[Linux][网络][高级IO][一][五种IO模型][同步通信][异步通信][非阻塞IO]详细讲解

目录

0.预备知识 && 思考问题

• 网络通信本质：IO
• IO效率问题：效率一定是非常低下的
• IO为什么低效？
  • 在read/recv时，如果底层缓冲区没有数据，recd/recv会怎么办？
    • 阻塞 –> 等
  • 在read/recv时，如果底层缓冲区有数据，read/recv会怎么办？
    • 拷贝数据
  • 综上：IO = 等 + 数据拷贝
• 何为低效的IO？
  • 单位时间内，大部分时间IO类接口都处于等的状态
• 如何提高IO效率，使之高效？
  • 单位时间内，让等的比重变得越低，IO的效率就越高

1.五种IO模型

0.形象理解五种模型

• 将五种模型抽象为钓鱼中的五种模式
  • **阻塞IO：**一直盯着鱼竿，直到鱼上钩
  • **非阻塞IO：**没事看两眼，看到有鱼就拉杆，其余时间做自己的事情
  • **信号驱动IO：**鱼竿上放个铃铛，若有鱼上钩，则铃铛会响，听到铃铛响则拉杆，其余时间做自己的事情
  • **多路转接：**一次性布置100个钓竿，同时吊，哪里上钩则到哪里拉杆
  • **异步IO：**让别人帮自己钓鱼，自己直接拿别人的成果
• 其中 效率最高 的是 多路转接
  • 单位时间内，等的比重是非常低的
• **同步IO和异步IO区别：**有没有参与IO细节 –> [参与等/参与拷贝/同时都参与]
  • 除了异步IO，其余的都是同步IO

1.阻塞IO

• 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

2.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往往需要程序员以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

    

3.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

  

4.多路转接/多路复用

• 虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似， 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态

  

5.异步IO

• 由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)

  

2.高级IO重要概念

1.同步通信 vs 异步通信

• 同步和异步 关注的是消息通信机制
  • 所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，但是一旦调用返回，就得到返回值了
    • 换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果
  • 异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果
    • 换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果
    • 而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用
• 另外，在讲多进程多线程的时候，也提到同步和互斥，这里的同步通信和进程之间的同步是完全不相干的概念
  • 进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系
  • 是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、 传递信息所产生的制约关系，尤其是在访问临界资源的时候

2.阻塞 vs 非阻塞

• 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

3.非阻塞IO

1.fcntl()

• **功能：**控制一个文件描述符，默认都是阻塞IO
• 原型：int fcntl(int fd, int cmd, … / arg / );
• 参数：
  • **fd：**要设置的文件描述符
  • **cmd：**要做什么
  • **arg：**要设置什么状态
• 返回值：
  • 具体返回值取决于命令操作
  • 失败返回-1，同时errno被设置
• fcntl()有5种功能

• 此处只使用第三种功能，获取/设置文件状态标记，就可以 将一个文件描述符设置为非阻塞
  • 以后对所有的fd，都可以统一用这个接口来更改阻塞/非阻塞，更为统一且方便

2.实现SetNonBlock

• 基于fcntl，实现SetNonBlock()，将文件描述符设置为非阻塞
  • 使用 F_GETFL 将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)
  • 然后再使用 F_SETFL 将文件描述符设置回去，设置回去的同时，加上一个 O_NONBLOCK 参数

bool SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL); // 在底层获取当前fd对应的属性
    if(fl < 0)
    {
        return false;
    }

    // 设置非阻塞
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 在老的标志位的前提下新增内容
    return true;
}