Linux中的BIO和NIO-蒲公英云

Linux中的BIO和NIO

梦里梦外; 2022-09-11 15:20 281阅读 0赞

Linux中的BIO和NIO

1. 概念

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);
```

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);

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

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

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);

epoll()是poll()的扩展，是一种事件驱动的操作

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;
};