Linux中IO多路復用

本篇部落格將說明linux中的阻塞io、非阻塞io以及這兩種進行io操作的困境，最後說明解決這種困境的方法，也就是io多路復用

1、阻塞式io

阻塞式io是指在執行裝置操作時，若不能獲得資源，則掛起程序直到滿足可操作的條件後在進行操作。被掛起的程序進入睡眠狀態，被從排程執行器的執行佇列中移走，直到等待的條件滿足。核心中預設的都是阻塞式的實現方式，因為這種實現方式效率比較高，被阻塞時，該程序並不占用cpu，而是將cpu交出，執行其他的程序。

2、非阻塞式io

非阻塞式io是指當前程序不能夠進行裝置操作的時候，並不會掛起，它要麼放棄，要麼不停的查詢，直到可以進行操作為止。這種方式看似效率很高，但是當長時間得不到資源的時候那麼，該程序將會長時間占用cpu，從而拉低整個系統的效率。非阻塞式訪問有兩種方法，一種時當檔案open的時候使用o_nonblock，以另一種是對已經開啟的問檔案進行屬性修改，使用fctl()。如下：

//開啟是設定
fd = open("/dev/input/mouse1", o_rdonly | o_nonblock); //非阻塞方式訪問 滑鼠
// 把0號檔案描述符（stdin）變成非阻塞式的
flag = fcntl(0, f_getfl); // 先獲取原來的flag
flag |= o_nonblock; // 新增非阻塞屬性
fcntl(0, f_setfl, flag); // 更新flag
// 這3步之後，0就變成了非阻塞式的了

3、阻塞與非阻塞io的困境

就現在來看，將系統中的所有io操作都使用阻塞式的訪問不就行了嗎？但是，事實並不是想象中的那麼簡單，在linux核心中存在著各種我們想不到的情況，都需要兼顧得到。下面舉乙個例子說明阻塞與非阻塞的困境。

在乙個程序中要進行3個io操作，分別是a、b、c。他們都是以阻塞的方式開啟進行訪問的，並且執行順序是a、b、c。現在有個情況是a因為條件不滿足而被阻塞，所以就執行不了b、c，但是b或者c的執行條件都是滿足的，這樣就導致了b、c不能執行的現象，顯然這不是我們想看的的結果。

阻塞式io在自己進行單個io操作的時候，是沒有問題的。但是像上面這種進行多路io操作的時候，就會出現問題。這裡用乙個簡單的程式例項來驗證這種說法。該程式是進行滑鼠與鍵盤的讀操作，並將讀到的資訊輸出到控制台。

#include #include #include #include #include #include int main(void)
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf("before 滑鼠 read.\n");
read(fd, buf, 50);
printf("滑鼠讀出的內容是：[%s].\n", buf);
// 讀鍵盤
memset(buf, 0, sizeof(buf)); //鍵盤就是標準輸入 對應的檔案描述符是0
printf("before 鍵盤 read.\n");
read(0, buf, 5);
printf("鍵盤讀出的內容是：[%s].\n", buf);
return 0;
}

程式最終的現象是，程式開始阻塞在讀滑鼠內容的位置，移動滑鼠或者單擊滑鼠，控制台有資料的列印，然後阻塞在讀鍵盤的位置，鍵盤輸入內容，然後控制台有資料列印，程式執行結束。這樣看好像沒有什麼問題，但是這是我們知道程式的原理的前提下進行的操作。當我們先敲擊鍵再單擊機滑鼠的時候，是沒有任何現象的。這樣顯然是不合理的，因為，這樣對於使用者來說這根本就是致命的bug的存在。

4、多路io復用

對於像這種多路io同時進行操作的問題，我們有很多種方法解決。例如將滑鼠與鍵盤都設定成非阻塞的方式，但是要將鍵盤與滑鼠的讀放在乙個while迴圈中。或者使用非同步io的方式，將滑鼠或者鍵盤其中的乙個做為主函式，另乙個作為類似於中斷的函式，當有資料可讀時就掛起主程式去執行「中斷」函式。等等吧。這裡我要詳細介紹的就是使用io多路復用的方式實現多路io同時進行操作的時候問題。

復用的意思時不用每個程序/執行緒來操控單獨的乙個io，只需乙個程序/執行緒來操控多個io。使用非阻塞io的用用程式通常會使用select()和poll()系統呼叫查詢是否可以對裝置進行無阻塞的訪問（select和poll系統呼叫最終都會使得裝置驅動中的pull函式被執行，這個關於驅動的知識放到以後在講述），其實select與pull系統呼叫本質是一樣的。在應用程式中最廣泛的是select()系統呼叫，其函式原型如下：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

struct timeval ;

下面的一些操作是用來設定、清除、判斷檔案描述符集合：

void fd_clr(int fd, fd_set *set);    //將乙個檔案描述符從檔案描述符集合中清除
int fd_isset(int fd, fd_set *set); //判斷檔案描述符是否被置位
void fd_set(int fd, fd_set *set); //將乙個檔案描述符加入檔案描述符集合中
void fd_zero(fd_set *set); //清除乙個檔案描述符集合

用乙個例項進行說明select()函式的的使用

/*
使用select函式進行對滑鼠與鍵盤的監聽
*/#include #include #include #include #include #include #include #include int main(void)
// 當前有2個fd，一共是fd 乙個是0
// 處理myset
fd_zero(&myset);
fd_set(fd, &myset);
fd_set(0, &myset);
tm.tv_sec = 10; //等待時間
tm.tv_usec = 0;
ret = select(fd+1, &myset, null, null, &tm);
if (ret < 0)
else if (ret == 0)
else 
if (fd_isset(fd, &myset))
}return 0;
}

使用poll()函式實現io多路復用

/*
使用select函式進行對滑鼠與鍵盤的監聽
*/#include #include #include #include #include #include #include int main(void); 
fd = open("/dev/input/mouse1", o_rdonly);
if (fd < 0) 
// 初始化我們的pollfd
myfds[0].fd = 0; // 鍵盤
myfds[0].events = pollin; // 等待讀操作
myfds[1].fd = fd; // 滑鼠
myfds[1].events = pollin; // 等待讀操作
ret = poll(myfds, fd+1, 10000);
if (ret < 0)
else if (ret == 0)
else 
if (myfds[1].events == myfds[1].revents)
}return 0;
}

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