三、五种IO模型

3.1 阻塞式IO

阻塞IO即在内核将数据准备好前，系统调用会一直等待

阻塞IO是最常见的IO模型，套接字默认都是阻塞方式

如当调用recvfrom函数从某个套接字上读取数据时，可能底层数据还没准备好，此时就需等待数据就绪，当数据就绪后再将数据从内核拷贝到用户空间，最后recvfrom函数才会返回

在recvfrom函数等待数据就绪期间，在用户看来该进程或线程就阻塞了，本质就是操作系统将该进程或线程的状态设置为了某种非R状态，然后将其放入等待队列中，当数据就绪后操作系统再将其从等待队列中唤醒，然后该进程或线程再将数据从内核拷贝到用户空间

以阻塞方式进行IO操作的进程或线程，在"等"和"拷贝"期间都不会返回，在用户看来就是阻塞了，因此被称为阻塞IO

3.2 非阻塞IO

非阻塞IO：若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需要程序员以循环的方式反复尝试读写文件描述符，即轮询，这对CPU是较大的浪费，一般只有特定场景下使用

如当调用recvfrom函数以非阻塞方式从某个套接字上读取数据时，若底层数据还没有准备好，那么recvfrom函数会立马错误返回，而不会让该进程或线程进行阻塞等待

因为没有读取的数据，因此该进程或线程后续还需要继续调用recvfrom函数，检测底层数据是否就绪，若没有就绪则继续错误返回，直到某次检测到底层数据就绪后，再将数据从内核拷贝到用户空间然后进行成功返回

每次调用recvfrom函数读取数据时，就算底层数据没有就绪，recvfrom函数也会立马返回，在用户看来该进程或线程就没有被阻塞，因此被称为非阻塞IO

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于，阻塞IO当数据没有就绪时，后续检测数据是否就绪的工作是由操作系统发起的，而非阻塞IO当数据没有就绪时，后续检测数据是否就绪的工作是由用户发起的

3.3 信号驱动IO

信号驱动IO：当内核将数据准备好后，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

当底层数据就绪的时候会向当前进程或线程递交SIGIO信号，因此可以通过signal或sigaction函数将SIGIO的信号处理程序自定义为需要进行的IO操作，当底层数据就绪时就会自动执行对应的IO操作

比如需要调用recvfrom函数从某个套接字上读取数据，那么就可以将该操作定义为SIGIO的信号处理程序

当底层数据就绪时，操作系统就会递交SIGIO信号，此时就会自动执行定义的信号处理程序，进程将数据从内核拷贝到用户空间

信号的产生是异步的，但信号驱动IO是同步IO的一种

信号的产生异步的，因为信号在任何时刻都可能产生

但信号驱动IO是同步IO的一种，因为当底层数据就绪时，当前进程或线程需要停下正在做的事情，转而进行数据的拷贝操作，当前进程或线程仍然需要参与IO过程

判断一个IO过程是同步的还是异步的，本质就是看当前进程或线程是否需要参与IO过程，若参与即为同步IO，否则为异步IO

3.4 IO多路转接

IO多路转接也被称为IO多路复用，能够同时等待多个文件描述符的就绪状态

IO多路转接的思想：

因为IO过程分为"等"和"拷贝"两个步骤，因此使用的recvfrom等接口的底层实际上都做了两件事，第一件事是数据不就绪时需要等，第二件事是数据就绪后需要进行拷贝

虽然recvfrom等接口也有"等"的能力，但这些接口一次只能"等"一个文件描述符上的数据或空间就绪，IO效率太低

因此系统提供了三组接口，即select、poll和epoll，这些接口的核心工作就是"等"，可将所有"等"的工作都交给这些多路转接接口

因为这些多路转接接口是一次"等"多个文件描述符的，因此能将"等"的时间重叠，数据就绪后再调用对应的recvfrom等函数进行数据的拷贝，此时这些函数就能够直接进行拷贝，而不需要"等"了

IO多路转接就像是帮人排队的黄牛，因为多路转接接口实际并没有进行数据拷贝。排队黄牛可以一次帮多个人排队，此时就将多个人排队的时间进行了重叠

3.5 异步IO

异步IO：由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序

进行异步IO需调用一些异步IO接口，异步IO接口调用后会立马返回，因为异步IO不需要发起者进行"等"和"拷贝"的操作，都由操作系统来完成，只需发起IO

当IO完成后操作系统会通知应用程序，因此进行异步IO的进程或线程并不参与IO的所有细节

四、重要概念

4.1 异步同行 && 同步通信

同步和异步关注的是消息通信机制

所谓同步，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；即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，所有没有返回结果；即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

为什么非阻塞IO在没有得到结果之前就返回了？

IO是分为"等"和"拷贝"两步的，当调用recvfrom进行非阻塞IO时，若数据没有就绪，那么调用会直接返回，此时这个调用返回时并没有完成一个完整的IO过程，即便调用返回了也是属于错误的返回

因此该进程或线程后续还需继续调用recvfrom，轮询检测数据是否就绪，当数据就绪后再把数据从内核拷贝到用户空间，这才是一次完整的IO过程

因此，在进行非阻塞IO时，在没有得到结果之前，虽然这个调用会返回，但后续还需要继续进行轮询检测，因此可以理解成调用还没有返回，而只有当某次轮询检测到数据就绪，并且完成数据拷贝后才认为该调用返回了

同步通信、同步与互斥

在多进程和多线程中有同步与互斥的概念，但是这里的同步通信和进程或线程之间的同步是不相干的概念

进程/线程同步指的是，在保证数据安全的前提下，让进程/线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，谈论的是进程/线程间的一种工作关系

同步IO指的是进程/线程与操作系统之间的关系，谈论的是进程/线程是否需要主动参与IO过程

因此当看到"同步"这个词的时候，需先明确这个"同步"是同步通信的同步，还是同步与互斥的同步

4.2 阻塞 && 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

4.3 其他高级IO

非阻塞IO，记录锁，系统V流机制，I/O多路转接（I/O多路复用），readv和writev函数以及存储映射IO（mmap），统称为高级IO

五、阻塞IO

系统中大部分的接口都是阻塞式接口，如使用read函数从标准输入中读取数据

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
using namespace std;
int main()
{
  char buffer[1024];
  while (true){
    ssize_t size = read(0, buffer, sizeof(buffer)-1);
    if (size < 0){
      cerr << "read error" << endl;
      break;
    }
    else {
            buffer[size] = '\0';
        cout << "echo# " << buffer << endl;
        }
  }
  return 0;
}

程序运行后，若不进行输入操作，该进程就会阻塞，根本原因就是因为此时底层数据不就绪，因此read函数需进行阻塞等待

一旦进行输入操作，此时read函数就会检测到底层数据就绪，然后将数据读取到从内核拷贝到程序员传入的buffer数组中，并且将读取到的数据输出到显示器上面，最后就看到了输入的字符串

六、非阻塞IO

打开文件时默认都是以阻塞的方式打开的，若要以非阻塞的方式打开某个文件，需在使用open函数打开文件时携带O_NONBLOCK或O_NDELAY选项，此时就能够以非阻塞的方式打开文件

fcntl函数

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

参数说明：

fd：已打开的文件描述符

cmd：需要进行的操作

…：可变参数，传入的cmd值不同，后面追加的参数也不同

fcntl函数常用的5种功能与其对应的cmd取值如下：

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）

获得/设置文件描述符标记（cmd=F_GETFD或F_SETFD）

获得/设置文件状态标记（cmd=F_GETFL或F_SETFL）

获得/设置异步I/O所有权（cmd=F_GETOWN或F_SETOWN）

获得/设置记录锁（cmd=F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW）

返回值说明：

若函数调用成功，则返回值取决于具体进行的操作

若函数调用失败，则返回-1，同时错误码被设置

实现SetNonBlock函数

可定义一个函数，该函数用于将指定的文件描述符设置为非阻塞状态

先调用fcntl函数获取该文件描述符对应的文件状态标记（位图结构），此时调用fcntl函数时传入的cmd值为F_GETFL

在获取到的文件状态标记上添加非阻塞标记O_NONBLOCK，再次调用fcntl函数对文件状态标记进行设置，此时调用fcntl函数时传入的cmd值为F_SETFL

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
using namespace std;
bool SetNonBloack(int fd) 
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);//获取该fd对应的文件读写标志位
    if(fl < 0) return false;
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);//设置非阻塞
    return true;
}
int main()
{
    SetNonBloack(0);
    char buffer[1024];
    while(true) 
    {
        sleep(1);
        errno = 0;
        ssize_t size = read(0,buffer,sizeof(buffer) - 1);
        if(size > 0) {
            buffer[size - 1] = 0;
            cout << "echo# " << buffer << " errno[success]:" << errno << " errString:" << strerror(errno) <<endl;
        }
        else {
            if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN) {
                cout << "当前0号fd数据没有就绪,请待会再进行尝试" << endl;
                continue;
            } 
            else if(errno == EINTR) {
                cout << "当前IO可能被信号中断,请再次尝试" << endl;
                continue;
            }
            else {//差错处理
                cout << "read error" << " errno:" << errno << " errString:" << strerror(errno) <<endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

当read函数以非阻塞方式读取标准输入时，若底层数据不就绪，那么read函数就会立即返回，并且是以出错的形式返回的，此时的错误码会被设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK

因此在以非阻塞方式读取数据时，若调用read函数时得到的返回值是-1，此时还需通过错误码进一步进行判断，若错误码的值是EAGAIN或EWOULDBLOCK，说明本次调用read函数出错是因为底层数据还没有就绪，因此后续还应该继续调用read函数进行轮询检测数据是否就绪，当数据继续时再进行数据的读取

调用read函数在读取到数据前可能被其他信号中断，此时read函数也会以出错的形式返回，此时的错误码会被设置为EINTR，应重新执行read函数进行数据的读取

因此在以非阻塞的方式读取数据时，若调用read函数读取到的返回值为-1，此时并不应该直接认为read函数在底层读取数据时出错，而应该继续判断错误码，若错误码的值为EAGAIN、EWOULDBLOCK 或 EINTR则应该继续调用read函数再次进行读取