阻塞与非阻塞IO（Input/Output）

阻塞与非阻塞IO（Input/Output）是计算机操作系统中两种不同的文件或网络通信方式。它们的主要区别在于程序在等待IO操作完成时的行为。

阻塞IO（Blocking IO）

在阻塞IO模式下，当一个线程发起IO请求（如读取数据或写入数据）时，它会一直等待直到IO操作完成。这意味着在等待数据的过程中，该线程不能执行其他任务，因此被称为“阻塞”。这种模式下，每个IO请求都需要一个独立的线程来处理，因为每个线程都会被阻塞直到IO操作完成。

优点：

• 编程模型简单，易于理解和实现。
• 对于IO操作较少的应用，资源消耗相对较小。

缺点：

• 线程利用率低，因为线程在等待IO操作完成时不能执行其他任务。
• 可扩展性差，随着并发IO请求的增加，需要更多的线程来处理，这会导致资源消耗增加

常见的阻塞IO函数：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

非阻塞IO（Non-blocking IO）

在非阻塞IO模式下，当一个线程发起IO请求时，它会立即返回，不会等待IO操作完成。如果IO操作尚未完成，系统会返回一个特定的错误码（如EWOULDBLOCK）。线程可以继续执行其他任务，直到IO操作准备好，此时系统会通知线程，线程可以再次尝试进行IO操作

优点：

• 线程可以处理多个IO请求，提高了线程的利用率。
• 可扩展性好，适用于高并发的IO操作场景。

缺点：

• 编程模型复杂，需要处理更多的错误码和状态检查。
• 需要额外的机制（如事件循环、IO多路复用等）来管理多个IO请求

fcntl()函数：

函数头文件：
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

函数原型：
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

函数参数：
fd： 要操作的文件描述符
cmd： 一个命令代码，它指定了要执行的操作
arg： 一个可变参数，它的类型和值取决于 cmd 的值

cmd命令：
F_DUPFD(int)：复制文件描述符。指定新文件描述符的最小值
F_GETFD(void)：获取文件描述符的状态。
F_SETFD(int)：设置文件描述符的状态。可以设置 FD_CLOEXEC 标志
F_GETFL(void)：获取文件描述符的状态标志。
F_SETFL(int)：设置文件描述符的状态标志。常用的标志有 O_NONBLOCK 设置文件描述符为非阻塞模式 
和 O_APPEND设置文件描述符为追加模式。
F_GETLK(struct flock*)：获取文件锁的状态。用于存储当前的锁信息
F_SETLK(struct flock*)：设置文件锁。
F_SETLKW(struct flock*)：设置文件锁，并等待锁就绪。
...

函数返回值:
成功:
F_DUPFD:新的文件描述符
F_GETFD:文件描述符标志的值
F_GETFL:文件描述符状态的值 
...    
失败：返回-1，并设置错误原因

 在Linux中，可以通过将文件描述符设置为非阻塞模式来实现非阻塞IO。这可以通过fcntl()系统调用完成

int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

IO多路复用 

基本思想：由内核来监控多个文件描述符是否可以进行I/O操作，如果有就绪的文件描述符，将结果 告知给用户进程，则用户进程在进行相应的I/O操作

IO多路复用的主要优点：

提高资源利用率：通过减少线程或进程的数量，降低了操作系统在线程上下文切换和维护线程状态上的开销。

提高系统性能：线程不需要在等待IO操作时被阻塞，而是可以继续执行其他任务，直到IO操作准备好。

可扩展性：可以处理大量的并发连接

IO多路复用的机制：

a.select多路复用I/O

在Linux中，select() 系统调用是一种实现IO多路复用的方法，它允许程序同时监视多个文件描述符，以确定是否有文件描述符已经准备好进行IO操作。这意味着程序可以等待多个输入或输出通道，当至少有一个通道可以进行操作时，select() 调用会返回。

函数描述：

函数头文件：
#include <sys/select.h>

函数原型：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

struct timeval {
               time_t      tv_sec;         /* seconds */
               suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
           };

函数参数：
nfds:最大文件描述符加1
readfds:指向读文件描述符集合的指针。
如果某个文件描述符在返回时有数据可读，该描述符会在这个集合中被设置
writefds:指向写文件描述符集合的指针。
如果某个文件描述符在返回时可以无阻塞地写入数据，该描述符会在这个集合中被设置
exceptfds:指向异常文件描述符集合的指针。通常用于检测异常条件，如错误状态
timeout:指定等待时间，可以指定为NULL，表示无限期等待直到有文件描述符就绪

函数返回值：
成功:返回已经就绪的文件描述符的个数。如果设置timeout，超时就会返回0
失败:-1，并设置errno确定错误原因

 操作文件描述符集合的宏定义：

从文件描述符集合set中移除文件描述符fd
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

检查文件描述符fd是否在文件描述符集合set中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
返回值：如果fd在集合set中，返回非零值；否则返回零。

将文件描述符fd添加到文件描述符集合set中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

初始化或清空文件描述符集合set
void FD_ZERO(fd_set *set);

工作原理：

1. 内核监控： 当select()被调用时，内核会接管文件描述符集合，并开始监控这些文件描述符的状态。

2. 数据准备： 当有网络数据到达或文件准备好被读取时，内核会检测到这些状态的变化。

3. 通知进程： 一旦某个文件描述符就绪，内核会通知调用select()的进程。

4. 返回就绪集合： select()返回时，会返回就绪的文件描述符数量，并更新传递给它的文件描述符集合，以反映哪些文件描述符已经就绪。

5. 用户空间处理： 应用程序在用户空间检查哪些文件描述符就绪，并进行相应的IO操作。

6. 超时处理： 如果在指定的超时时间内没有任何文件描述符就绪，select()将返回0，表示超时。

 示例代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

#define NFDS 0 
int main()
{
        // 可读的文件描述符集合
        fd_set readfds;
        // 清空可读的文件描述符集合
        FD_ZERO(&readfds);
        // 添加要监控的文件描述符到集合中
        FD_SET(0,&readfds);
        // 设置超时时间
        struct timeval timeout = {.tv_sec=3,.tv_usec=0};
        int result;
        struct timeval timeout_bak;
        fd_set readfds_bak;

        while(1)
        {
                timeout_bak = timeout;
                readfds_bak = readfds;
                int result=select(NFDS+1, &readfds_bak,NULL,NULL, &timeout_bak);
                if(result==-1)
                {
                        perror("select");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
                else if(result==0)
                {
                        printf("Overtime\n");
                }
                else if(result>0)
                {
                        for(int i=0;i<result;i++)
                        {
                                if(FD_ISSET(0,&readfds)){
                                        char buf[128]={0};
                                        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
                                        printf("buf:%s\n",buf);
                                }
                        }
                }
        }
}

注意事项：

• select()的所有文件描述符集合都需要在用户空间和内核空间之间复制，这可能会带来性能开销。
• select()有一个限制，即可以监视的文件描述符数量通常有一个上限（通常是1024），这取决于具体的系统配置。
• 超时时间在select()返回后可能会被修改，如果需要再次使用原来的超时时间，需要备份timeval结构体。

 b.poll多路复用I/O

与 select() 类似，但它没有文件描述符的数量限制。这意味着 poll() 可以处理任意数量的文件描述符，只要系统资源（如内存）允许。这使得 poll() 在处理大量并发连接时更为有效

poll()：使用一个 pollfd 结构体数组来跟踪文件描述符和事件。每个 pollfd 结构体包含一个文件描述符、期望的事件（events）和实际发生的事件（revents）。这种方式使得 poll() 在处理大量文件描述符时更为高效，因为它直接操作文件描述符数组，而不需要复制整个集合

函数描述：

函数头文件：
#include <poll.h>

函数原型：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
               int   fd;         /* file descriptor */
               short events;     /* requested events */
               short revents;    /* returned events */
           };

函数参数：
fds：指向pollfd结构体数组的指针，该数组包含了需要监控的文件描述符。
nfds：fds 数组的长度。
timeout：超时时间，以毫秒为单位。如果设置为-1，则poll()会无限期等待；如果设置为0，则不会等待，立即返回

fd：需要监控的文件描述符。
events：需要监控的事件类型，可以是POLLIN（可读）、POLLOUT（可写）、POLLERR（错误）、POLLHUP（挂起）等。
revents：实际发生的事件，由poll()函数填充

函数返回值：
成功：返回revents就绪的文件描述符的数量,如果超时，返回0
失败：返回-1，并设置error错误原因

 工作原理：

1. 监控多个文件描述符： poll() 通过监控多个文件描述符的状态，允许程序在单个线程内处理多个输入输出源。这通过使用一个文件描述符集合来实现，其中每个文件描述符都可以设置为监控读、写或异常事件。

2. 事件驱动： poll() 采用事件驱动的方式工作。程序指定哪些事件（如可读、可写）感兴趣，poll() 则等待这些事件发生。当任何一个文件描述符上发生了感兴趣的事件时，poll() 调用返回。

3. 水平触发（Level Triggered）： poll() 默认的工作方式是水平触发（LT），这意味着只要文件描述符的状态没有改变，poll() 会持续报告该文件描述符就绪，即使数据已经被读取或写入。

4. 超时处理： 如果在指定的超时时间内没有任何文件描述符就绪，poll()将返回0，表示超时。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>
#define MAX_FDS 10
int main()
{
        struct pollfd fds[MAX_FDS]={0};
        // 将标准输入文件描述符封装成struct pollfd结构体对象
        struct pollfd fd={
                .fd = 0,
                .events=POLLIN
        };
        fds[0]=fd;
        nfds_t nfds = 1;

        int result;

        while(1)
        {
                result = poll(fds, nfds, 2000);
                if(result==-1)
                {
                        perror("poll");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
                else if(result == 0)
                {
                        printf("overtime\n");
                }
                else if(result>0)
                {
                        for(int i=0;i<nfds;i++)
                        {
                                if(fds[i].revents == POLLIN){
                                        char buf[128]={0};
                                        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
                                        printf("buf:%s\n",buf);
                                }
                        }
                }
        }
        return 0;
}

c. epoll多路复用I/O

epoll相对于select与poll有较大的不同，主要是针对前面两种多路复用 IO 接口的不足

epoll能够更有效地处理大量并发文件描述符，因为它不需要在每次调用时复制整个文件描述符集合，也不会受到文件描述符数量的限制

epoll 使用了两种主要的数据结构：红黑树和双向链表。

• 红黑树：epoll 在内核中使用红黑树来高效地管理文件描述符。每个注册到 epoll 的文件描述符都会存储在这颗树中，以便快速地进行查找、插入和删除操作。

• 双向链表：epoll 维护了一个就绪列表，这是一个双向链表，用于存储所有准备好进行 IO 操作的文件描述符。当一个文件描述符变得可读或可写时，它会被添加到这个链表中

事件通知机制:

1. 回调机制(callback)：当一个文件描述符的状态发生变化（例如，从不可读变为可读），epoll 会通过回调机制将这个事件添加到就绪列表中。这种机制避免了对所有注册的文件描述符进行轮询，从而提高了效率。

2. 就绪列表：epoll 维护了一个就绪列表，这是一个双向链表，用于存储所有准备好进行 IO 操作的文件描述符。当 epoll_wait() 被调用时，它只需检查这个就绪列表，而不是遍历整个文件描述符集合。

3. 边缘触发（ET）模式：在边缘触发模式下，epoll 只在文件描述符的状态发生变化时通知应用程序。这意味着应用程序必须读取或写入所有可用的数据，直到遇到 EAGAIN 错误，否则该文件描述符不会被再次报告为就绪。

函数描述：

1.epoll创建函数

函数头文件:
#include <sys/epoll.h>

函数原型:
int epoll_create(int size);

函数参数：
size:这个参数是一个提示，告诉内核预计要监控的文件描述符数量
从Linux 2.6.8开始，这个参数被忽略,epoll_create可以处理的文件描述符数量只受限于系统资源，如内存和内核配置。

函数返回值:
成功：返回一个非负的文件描述符
失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因
ENOMEM（内存不足）
ENFILE（打开的文件数量超过限制）

2.epoll控制函数

函数头文件：
#include <sys/epoll.h>

函数原型：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

typedef union epoll_data {
               void        *ptr;
               int          fd;
               uint32_t     u32;
               uint64_t     u64;
           } epoll_data_t;
struct epoll_event {
               uint32_t     events;   /* Epoll events *//* 监控的事件类型 */
               epoll_data_t data;     /* User data variable *//* 与文件描述符相关联的数据 */
           };

函数参数：
epfd：由 epoll_create() 调用返回的 epoll 实例的文件描述符。
op：要执行的操作类型，可以是以下值之一：
EPOLL_CTL_ADD：添加新的文件描述符到epoll实例。
EPOLL_CTL_MOD：修改已经添加到epoll实例中的文件描述符的监控事件。
EPOLL_CTL_DEL：从epoll实例中删除文件描述符。
fd：要监控的文件描述符。
event：指向epoll_event结构体的指针，该结构体定义了文件描述符上感兴趣的事件

events：指定文件描述符上感兴趣的事件类型，可以是以下值的组合：
EPOLLIN：文件描述符可读。
EPOLLOUT：文件描述符可写。
EPOLLERR：文件描述符发生错误。
EPOLLHUP：文件描述符被挂起。
EPOLLET：设置边缘触发模式（默认是水平触发模式）。
data：用于传递与文件描述符相关联的特定数据，可以是文件描述符本身或其他自定义数据

函数返回值：
成功时：返回0
失败时：返回-1，并设置errno以指示错误原因

3.epoll等待函数

函数头文件:
#include <sys/epoll.h>

函数原型:
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                      int maxevents, int timeout);

函数参数：
epfd：由epoll_create()调用返回的epoll实例的文件描述符。
events：指向epoll_event结构体数组的指针，该数组用于从内核接收发生的事件。
maxevents：events数组的最大长度，即可以返回的最大事件数量。
timeout：等待时间，单位为毫秒。如果设置为-1，则无限期等待直到至少有一个文件描述符就绪；如果设置为 0，则不等待，立即返回。

函数返回值:
成功：返回就绪的文件描述符的数量，即 events 数组中填充的事件数量
失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因
EBADF（无效的文件描述符）
EFAULT（无效的内存访问）
EINTR（被信号打断）...
​

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_FDS 10
#define MAX_EVENTS 10
int main()
{
        //创建epoll使用 epoll_create 函数
        int epfd = epoll_create(1);
        if(epfd==-1)
        {
                perror("epoll_create");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        //添加文件描述符使用 epoll_ctl 函数将文件描述符注册到epoll
        struct epoll_event event;
        event.events = EPOLLIN; // 监听可读事件
        event.data.fd = 0; // 关联文件描述符
        int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 0, &event);
        if(ret == -1)
        {
                perror("epoll_ctl");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        //等待 使用 epoll_wait 函数等待事件
        int nfds;
        struct epoll_event events[MAX_FDS];
        while(1)
        {
                nfds = epoll_wait(epfd, events,MAX_EVENTS,2000);
                if(nfds==-1)
                {
                        perror("epoll_wait");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
                else if(nfds == 0)
                {
                        printf("overtime\n");
                }
                else if(nfds>0)
                {
                        // epoll_wait返回就绪文件描述符的个数
                        for(int i=0;i<nfds;i++)
                        {
                                if(events[i].data.fd==0){
                                        char buf[128]={0};
                                        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
                                        printf("buf:%s\n",buf);
                                }
                        }
                }
        }
        return 0;
}

结语：

无论你是初学者还是有经验的开发者，我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用，不妨点击收藏，或者留下你的评论分享你的见解和经验，也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持，也是对我持续分享和创作的动力