Linux中的BIO和NIO

梦里梦外; 2022-09-11 15:20 180阅读 0赞

## Linux中的BIO和NIO ##

### 1. 概念 ###

1.  BIO（阻塞IO）
    
    执行某个操作时，若不能获得资源，则挂起进程知道满足条件获取资源后再执行。挂起进程的唤醒一般发生在中断里，因为硬件资源的获取一般伴随着一个中断
    
        //以阻塞的方式从串口读取一个字符
        char buf[20];
        fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR);
        //阻塞读取字符
        res = read(fd, &buf, 1);
        printf("%c\n", buf);
2.  NIO（非阻塞IO）
    
    执行某个操作时，若不能获得资源，不会挂起进行，要么放弃，要么不停的查询，直到可以进行操作为止
    
        //以非阻塞的方式从串口读取一个字符
        char buf[20];
        fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR | O_NONBLOCK);
        //读取字符，读取操作立即返回，所以需要循环读取
        while(read(fd, &buf, 1) == -1)
            continue;
        printf("%c\n", buf);
3.  改变文件的读写方式
    
    除了可以在文件打开时定义读写方式外还可以通过ioctl()和fcntl()改变读写方式。
    
        void ioctl(...);
        void fcntl(...);

### 2. 等待队列 ###

等待队列是BIO的底层实现方式

*  等待队列与Linux内核的进程调度紧密结合
 *  信号量是依赖于等待队列实现的

//定义等待队列
    wait_queue_head_t queue;
    //初始化头
    void init_waitqueue_head(&queue);
    //定义+初始化头
    DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);
    //定义元素
    DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk);
    //添加到队列
    void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
    //从队列移除
    void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
    //等待事件
    void wait_event(queue, condition);
    void wait_event_timeout(queue, condition);
    void wait_event_interruptible(queue, condition);
    void wait_event_interruptible_timeout(queue, condition);
    //唤醒队列
    void wake_up(queue);
    void wake_up_interruptible(queue);

在等待队列中休眠（与wake\_up成对使用）

void sleep_on(queue);
    void interruptible_sleep_on(queue);

### 3. 轮询操作 ###

1.  select()、poll()系统调用都是BIO中查询文件的方式，一次可以查询多个文件描述符，其中任一个变得可写或可读时返回。是一种多路复用的思想
2.  select()、poll()在文件量增大时，性能降低
    
        //任一文件变得可读、可写、异常时返回
        int select(
            //监听的文件的最高fd+1
            int numfds, 
            //监听的读文件
            fd_set *readfds,
            //监听的写文件
            fd_set *writefds,
            //监听的异常文件
            fd_set *exceptfds,
            //监听超时
            struct timeval *timeout
        );
        //下面的宏用于操作fd_set文件描述符集合
        //清空
        FD_ZERO(fd_set *set);
        //添加
        FD_SET(int fd, fd_set *set);
        //删除
        FD_CLR(int fd, fd_set *set);
        //判断
        FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
        
        //poll操作与select操作类似
        int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
3.  epoll()是poll()的扩展，是一种事件驱动的操作
4.  epoll不会由于fd的数量变大而降低性能
    
        //创建epoll，设置监听的fd数量，epoll本身占用一个fd
        int epoll_create(int size);
        //关闭epoll fd
        void epoll_close();
        //等待事件产生，events是输出（从内核得到的事件集合），maxevents是本次最多接收的事件数
        //timeout是超时（毫秒）,-1表示永久
        //返回本次接收到的事件数
        int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
        //设置epoll监听的fd
        //参数op: EPOLL_CTL_ADD 注册新的fd到epfd中
        //参数op: EPOLL_CTL_MOD 修改已注册的fd的监听事件
        //参数op: EPOLL_CTL_ADD 从epfd中删除一个fd
        int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
        
        //struct epoll_event是监听的事件类型
        struct epoll_event {
              
            //EPOLLIN   可读
            //EPOLLOUT  可写
            //EPOLLPRI  有紧急数据可读（socket紧急数据）
            //EPOLLERR  fd发生错误
            //EPOLLHUP  fd被挂断
            //EPOLLONESHOT 一次性监听，一次监听事件完成后，需要再次把fd加入epfd中
            //EPOLLET   epoll设为边缘触发模式（Edge Triggered）
            //默认是水平触发模式（Level Triggered）
            //ET是高速模式，当fd从非就绪变为就绪时，不会发送就绪通知
            __uint32_t events;
            epoll_data_t data;
        };
5.  少量fd的查询用select、poll，大量fd的查询用epoll