【Linux高级IO】五种IO模型 多路转接（select）

目录

1. 五种IO模型

 1.1 阻塞式IO

 1.2 非阻塞IO

1.3 信号驱动IO

1.4  多路转接

 1.5 异步IO

2. 同步通信与异步通信

3. 多路转接

3.1 select

总结

在这里插入图片描述

1. 五种IO模型

 1.1 阻塞式IO

        阻塞式IO最为常见，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；

 最常见的就是C语言中调用scanf，程序启动，等待输入，不输入一直阻塞等待；

 比如：小明去钓鱼，阻塞式IO就类似于小明一直盯着鱼竿，什么都不干就等着鱼上钩；

 1.2 非阻塞IO

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往往需要程序员使用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；

比如：小王也去钓鱼，在等待鱼上钩的这段时间，小王可以看看书，吃点零食...做其他的事情；

1.3 信号驱动IO

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；

 比如：小聪也去钓鱼，他在鱼竿加了一个铃铛，在等待鱼上钩的期间，他可以干其他事，等有鱼上钩铃铛就会提醒有鱼了；

1.4  多路转接

IO多路转接：多路转接能够同时等待多个文件 描述符的就绪状态.  

从流程图上看起来和阻塞IO类似，如何理解？

比如：小张也是去钓鱼，他拿了很多鱼竿，同时使用多个鱼竿钓鱼；一个人盯着多个鱼竿；

 1.5 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)；

 怎么去理解？

比如：小李是一个老板，走到鱼塘边看到这么多人在钓鱼，他想吃鱼了，但是他又不想自己钓，于是和自己的司机说，你去钓鱼，钓上来鱼给我，然后通知另一个司机来接他；小李全程不参与钓鱼，由他的司机给他钓；司机就相当于操作系统，小李相当于是一个线程，钓鱼是IO，鱼就是数据；

2. 同步通信与异步通信

同步通信

在同步通信中，发送方和接收方在通信过程中是时间上密切关联的。发送方发送消息后，需要等待接收方确认已经接收到消息，才能继续进行后续操作。

特点：

  • 阻塞：发送方在发送消息后会被阻塞，直到接收方处理完毕并回复。这意味着发送方的执行流会暂停，直至接收方确认。
  • 实现简单：因其简单的请求、响应模式，容易实现和理解。
  • 实时性：适用于需要即时反馈的场景，比如电话通话或某些即时消息服务。

 比如：打电话；

 异步通信

 在异步通信中，发送方和接收方之间的通信不需要严格的时间同步。发送方在发送完消息后，不必等待接收方的确认，可以继续执行其他任务。

特点：

  • 非阻塞：发送方在发送消息后不会被阻塞，可以自由进行其他操作。接收方会在适当的时候处理接收到的消息。
  • 复杂性高：由于涉及到消息的队列、存储和后续处理，通常实现起来比同步通信复杂。
  • 适应性强：适用于高并发、跨网络或需要高响应性的场景，比如事件驱动的编程模型、某些消息队列系统。

 比如：电子邮箱；

 两种通信的关键点在于阻塞与非阻塞；

  • 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. 等待需要时可以再获取执行结果；

 如何设置非阻塞？

fcntl

文件描述符, 默认都是阻塞IO，但是可以通过接口设置为非阻塞； 

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

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

 参数：

  • fd：文件描述符
  • cmd：操作命令，指定要执行的操作类型。
  • arg：可选参数，根据 cmd 的不同而有所不同，某些操作不需要这个参数。

 传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同；

 fcntl函数有5种功能：

  • 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).

 使用示例：

将文件描述符设置为非阻塞； 

void SetNoBlock(int fd) { 
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL); 

    if (fl < 0) { 
        perror("fcntl");
        return; 
    }

    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); 
}

F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)；该位图表示文件描述符的各种状态和行为；这里是获取出它的状态和行为，然后添加一个非阻塞的状态；

文件访问模式： 

  • O_RDONLY：以只读模式打开文件。
  • O_WRONLY：以只写模式打开文件。
  • O_RDWR：以读写模式打开文件。

 文件状态标志：

  • O_APPEND：文件指针在每次写操作后移到文件末尾。这意味着任何写入都将附加到文件的现有内容后面。
  • O_NONBLOCK：文件描述符被设置为非阻塞模式。对该文件描述符的读写操作不会导致进程阻塞。
  • O_SYNC：写入操作会在返回前完成同步，这样就可以确保数据已经写入磁盘。
  • O_DSYNC：确保数据已写入磁盘。

 验证一下非阻塞IO：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>

void SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(fl < 0)
    {
        std::cerr << "fcntl error" << std::endl;
        exit(0);
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNonBlock(0);
    while (true)
    {
        char buffer[1024];
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else if (s == 0)
        {
            std::cout << "end stdin" << std::endl;
            break;
        }
        else
        // 非阻塞等待， 如果数据没有准备好，返回值会按照出错返回, s == -1
        // 数据没有准备好 vs 真的出错了 ： 处理方式一定不是一样的。 s无法区分！
        // 数据没有准备好，算读取错误吗？不算。read，recv以出错的形式告知上层，数据还没有准备好
        {
            if (errno == EWOULDBLOCK)
            {
                std::cout << "OS的底层数据未准备就绪, errno: " << errno << std::endl;
            }
            else if(errno == EINTR)//信号导致中断
            {
                std::cout << "IO interrupted by signal, try again" << std::endl;
            }
            else
            {
                std::cout << "read error!" << std::endl;
            }
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3. 多路转接

多路转接有什么优势？

比如：TCPServer，服务端需要创建一个监听套接字，然后接收客户端发来的连接请求，然后返回新的fd，服务端需要维护多个连接，对于每个连接都可能需要读数据/写数据；也就是说，服务端需要监控多个fd的IO事件；没有多路转接：

  • 把所有的fd都设置非阻塞，然后不停的循环遍历每个fd，判断是否有IO事件；
  • 创建多个线程，让线程去监控IO事件；
  • 基于信号以及子进程的方式，让子进程去执行处理对应的IO操作，设置忽略SIGCHLD
  • 使用孙子进程，子进程退出，自动回收资源

 这几种方式都有很大的效率和内存开销的问题：

  • 循环遍历的方式：CPU 资源浪费严重，因为即使没有 I/O 事件发生，CPU 也会不断地进行循环检查；可扩展性差，随着连接数的增加，性能会急剧下降；
  • 线程/进程的创建和销毁开销较大，过多的线程/进程会导致系统资源耗尽；

 应对多个连接的IO时，多路转接无疑是最合适的方式；

3.1 select

  IO总结就两个过程：

  • 等（阻塞，等待数据）
  • 就是拷贝（读/写数据，read、write、recv、send）

 多路转接帮我们解决的就是IO中的等；有IO事件就绪就返回；并且它可以一次等待多个文件描述符；

接口原型：

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

 参数：

nfds：需要监控的最大文件描述符编号加 1。select 函数会检查从 0 到 nfds - 1 的所有文件描述符。例如，如果要监控的文件描述符是 3、5、7，那么 nfds 应该设置为 8（最大文件描述符 7 加 1）。

readfds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控读事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控读事件，可以将其设置为 NULL；

writefds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控写事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符可以进行写操作时，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控写事件，可以将其设置为 NULL。

exceptfds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控异常事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符发生异常时，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控异常事件，可以将其设置为 NULL；

timeout：指向一个 struct timeval 类型的结构体，用于设置 select 函数的超时时间。struct timeval 结构体定义如下：

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

// 示例
struct timeval timeout ={5，0};// 5秒以内阻塞等待，5秒以后非阻塞;(阻塞+非阻塞)
// 5秒以内阻塞式等待，5秒内就绪了select正常返回，5秒内没有就绪，返回值就为0(超时返回)

struct timeval timeout ={0，0};// 立即检测，有就绪的直接返回，没有返回0(非阻塞)
struct timeval timeout= nullptr;// (阻塞)

 返回值：

  •  大于 0：表示就绪的文件描述符的总数，即 readfds、writefds 和 exceptfds 三个集合中就绪的文件描述符数量之和。
  • 0：表示超时，即在指定的时间内没有文件描述符就绪。
  • -1：表示发生错误，此时会设置相应的 errno 变量，可以通过 perror 函数输出错误信息

 设置位图不允许私自设置，系统也提供了接口：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

 示例：

简易的SelectServer，详细可见我的码云：SelectSever示例

Select的优缺点
优点：select只负责等待，可以等待多个fd，IO的时候效率比较高；
缺点:

  • 每次都要对select的参数重置;
  • 编写程序的时候，select要是有第三方数组，所以充满遍历，可能会影响select的效率
  • 用户到内核，内核到用户，每次select调用和返回，都要对位图进行重新设置，内核和用户之间要一直进行数据拷贝
  • select让OS在底层遍历要关心的所有fd，这也会导致效率低下，内核在检查文件描述符状态时，采用的是线性遍历的方式，即从 0 到 nfds - 1 逐个检查每个文件描述符是否就绪。随着要监控的文件描述符数量增加，遍历的时间也会线性增长；
  • fd_set是系统提供的类型，fd_set大小是固定的；也就是说位图的大小也是固定的，select最多能检测的fd总数是有上限的；

后续会介绍其他实现多路转接的接口，他们解决了select中存在的一些问题，也是现在最为常用的方式；

总结

        以上便是本文的全部内容，希望对你有所帮助，感谢阅读！

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：/a/979907.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系我们进行投诉反馈qq邮箱809451989@qq.com，一经查实，立即删除！

相关文章

Linux服务升级：Almalinux 升级 DeepSeek-R1

Linux服务升级：Almalinux 升级 DeepSeek-R1

目录 一、实验 1.环境 2.Almalinux 部署 Ollama 3.Almalinux 升级 DeepSeek-R1 4.Almalinux 部署 docker 5. docker 部署 DeepSeek-R1 6.Almalinux 部署 Cpolar (内网穿透) 7.使用cpolar内网穿透 二、问题 1.构建容器失败 一、实验 1.环境 &#xff08;1&#xff09…
阅读更多...
深度剖析数据分析职业成长阶梯

深度剖析数据分析职业成长阶梯

一、数据分析岗位剖析 目前&#xff0c;数据分析领域主要有以下几类岗位&#xff1a;业务数据分析师、商业数据分析师、数据运营、数据产品经理、数据工程师、数据科学家等&#xff0c;按照工作侧重点不同&#xff0c;本文将上述岗位分为偏业务和偏技术两大类&#xff0c;并对…
阅读更多...
CosyVoice2整合包 特殊声音标记,声音克隆更逼真,新增批量生成

CosyVoice2整合包 特殊声音标记,声音克隆更逼真,新增批量生成

新增批量生成,可用于制作直播话术音频 特殊声音标记 符号示例1_语气加强<strong> </strong>每天都<strong>付出</strong>和<strong>精进</strong>&#xff0c;才能达到巅峰。2_呼吸声[breath][breath] 吸气,[breath] 呼气! [breath] 吸,[b…
阅读更多...
vector习题

vector习题

完数和盈数 题目 完数VS盈数_牛客题霸_牛客网 一个数如果恰好等于它的各因子(该数本身除外)之和&#xff0c;如&#xff1a;6321。则称其为“完数”&#xff1b;若因子之和大于该数&#xff0c;则称其为“盈数”。 求出2到60之间所有“完数”和“盈数”。 输入描述&#xff…
阅读更多...
如何保证 Redis 缓存和数据库的一致性？

如何保证 Redis 缓存和数据库的一致性？

如何保证 Redis 缓存和数据库的一致性&#xff1f; 1. 问题出现场景 先修改数据库&#xff0c;再删除缓存 删除数据库数据成功了&#xff0c;但是删除缓存却失败了&#xff0c;缓存中仍保留的是旧数据 先删除缓存&#xff0c;再删除数据库 如果 Redis 缓存删除成功后&#xf…
阅读更多...
信刻光盘安全隔离与信息交换系统让“数据摆渡”安全高效

信刻光盘安全隔离与信息交换系统让“数据摆渡”安全高效

随着数据传输、存储及信息技术的飞速发展&#xff0c;信息安全保护已成为重中之重。各安全领域对跨网数据交互的需求日益迫切&#xff0c;数据传输的安全可靠性成为不可忽视的关键。为满足业务需求并遵守保密规范&#xff0c;针对于涉及重要秘密信息&#xff0c;需做到安全的物…
阅读更多...
网络原理--TCP/IP（2）

网络原理--TCP/IP（2）

我们在之前已经介绍到TCP协议的核心机制二，接下来我们将继续介绍其他的核心机制。 核心机制三：连接管理 即建立连接，断开连接，在正常情况下,TCP要经过三次握⼿建⽴连接,四次挥⼿断开连接。 建立连接：TCP是通过“三次握手” 在生活中的握手就是打招呼，，但握手操作没有…
阅读更多...
Windows PicPick Professional-v7.3.2-中文版

Windows PicPick Professional-v7.3.2-中文版

Windows PicPick Professional-中文版 链接&#xff1a;https://pan.xunlei.com/s/VOKGwGVGWUDl7L8cW4D1A1W4A1?pwdw5qz# - 更新了中文翻译&#xff0c;默认取消检测升级&#xff0c;删除多国语言
阅读更多...
校园二手交易微信小程序的设计与实现（论文源码调试讲解）

校园二手交易微信小程序的设计与实现（论文源码调试讲解）

第4章 系统设计 一个成功设计的系统在内容上必定是丰富的&#xff0c;在系统外观或系统功能上必定是对用户友好的。所以为了提升系统的价值&#xff0c;吸引更多的访问者访问系统&#xff0c;以及让来访用户可以花费更多时间停留在系统上&#xff0c;则表明该系统设计得比较专…
阅读更多...
数据结构之各类排序算法代码及其详解

数据结构之各类排序算法代码及其详解

1. 排序的概念 排序是一种常见的算法概念&#xff0c;用于将一组数据按照特定的顺序进行排列。排序算法的目的是将一组数据按照递增或递减的顺序重新排列。常见的排序算法包括冒泡排序、插入排序、选择排序、快速排序、归并排序等。排序算法的选择通常取决于数据规模、数据分布…
阅读更多...
6.6.6 嵌入式SQL

6.6.6 嵌入式SQL

文章目录 2个核心问题识别SQL语句主语言和SQL通信完整导图 2个核心问题 SQL语句嵌入高级语言需要解决的2个核心问题是&#xff1a;如何识别嵌入语句&#xff1f;如何让主语言&#xff08;比如C,C语言&#xff09;和SQL通信&#xff1f; 识别SQL语句 为了识别主语言中嵌入的SQL…
阅读更多...
keil主题（vscode风格）

keil主题（vscode风格）

#修改global.prop文件&#xff0c;重新打开keil即可 # Keil uVision Global Properties File # This file is used to customize the appearance of the editor# Editor Font editor.font.nameConsolas editor.font.size10 editor.font.style0# Editor Colors editor.backgro…
阅读更多...
医疗AR眼镜：FPC如何赋能科技医疗的未来之眼？【新立电子】

医疗AR眼镜：FPC如何赋能科技医疗的未来之眼？【新立电子】

随着科技的飞速发展&#xff0c;增强现实&#xff08;AR&#xff09;技术在医疗领域的应用逐渐成为焦点。医疗AR眼镜作为一种前沿的智能设备&#xff0c;正在为医疗行业带来深刻的变革。它不仅能够提升医生的工作效率&#xff0c;还能改善患者的就医体验&#xff0c;成为医疗科…
阅读更多...
【异地访问本地DeepSeek】Flask+内网穿透，轻松实现本地DeepSeek的远程访问

【异地访问本地DeepSeek】Flask+内网穿透，轻松实现本地DeepSeek的远程访问

写在前面&#xff1a;本博客仅作记录学习之用&#xff0c;部分图片来自网络&#xff0c;如需引用请注明出处&#xff0c;同时如有侵犯您的权益&#xff0c;请联系删除&#xff01; 文章目录 前言依赖Flask构建本地网页访问LM Studio 开启网址访问DeepSeek 调用模板Flask 访问本…
阅读更多...
GPIO（嵌入式学习）

GPIO（嵌入式学习）

GPIO 通用输入输出口&#xff1a; 可分为八种输入输出模式 输出模式 下端可控制端口输出高低电平&#xff0c;用以驱动LED&#xff0c;控制蜂鸣器&#xff0c;模拟通信协议输出时序 输入模式 读取高低电平或电压&#xff0c;用与读取按键输入&#xff0c;外界模块电平信号…
阅读更多...
AI助理精准匹配------助力快速搭建Stable Difussion图像生成应用

AI助理精准匹配------助力快速搭建Stable Difussion图像生成应用

AI助理精准匹配------助力快速搭建Stable Difussion图像生成应用 背景信息搭建Stable Difussion图像生成应用释放资源 背景信息 过去你在阿里云社区搭建Stable Difussion图像生成应用&#xff0c;你可能还需要去在线实验室或者是官方文档去查找部署步骤&#xff0c;找到部署步…
阅读更多...
火山引擎 DeepSeek R1 API 使用小白教程

火山引擎 DeepSeek R1 API 使用小白教程

一、火山引擎 DeepSeek R1 API 申请 首先需要三个要素&#xff1a; 1&#xff09;API Key 2&#xff09;API 地址 3&#xff09;模型ID 1、首先打开火山引擎的 DeepSeek R1 模型页面 地址&#xff1a;账号登录-火山引擎 2、在页面右下角&#xff0c;找到【推理】按钮&#…
阅读更多...
排序算法（3）：

排序算法（3）：

这是我们的最后一篇排序算法了&#xff0c;也是我们的初阶数据结构的最后一篇了。 我们来看&#xff0c;我们之前已经讲完了插入排序&#xff0c;选择排序&#xff0c;交换排序&#xff0c;我们还剩下最后一个归并排序&#xff0c;我们今天就讲解归并排序&#xff0c;另外我们还…
阅读更多...
【源码】【Java并发】【线程池】邀请您从0-1阅读ThreadPoolExecutor源码

【源码】【Java并发】【线程池】邀请您从0-1阅读ThreadPoolExecutor源码

&#x1f44b;hi&#xff0c;我不是一名外包公司的员工&#xff0c;也不会偷吃茶水间的零食&#xff0c;我的梦想是能写高端CRUD &#x1f525; 2025本人正在沉淀中… 博客更新速度 &#x1f44d; 欢迎点赞、收藏、关注&#xff0c;跟上我的更新节奏 &#x1f4da;欢迎订阅专栏…
阅读更多...
微信小程序：完善购物车功能，购物车主页面展示，详细页面展示效果

微信小程序：完善购物车功能，购物车主页面展示，详细页面展示效果

一、效果图 1、主页面 根据物品信息进行菜单分类&#xff0c;点击单项购物车图标添加至购物车&#xff0c;记录总购物车数量 2、购物车详情页 根据主页面选择的项&#xff0c;根据后台查询展示到页面&#xff0c;可进行多选&#xff0c;数量加减等 二、代码 1、主页面 页…
阅读更多...
最新文章

Copyright @ 2022~2023