【Linux网络】I/O技术深度解析：五模型与fcntl函数

本文深入探讨了Linux系统中的五种I/O模型：阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路转接和异步IO，并详细解析了`fcntl`函数在I/O操作中的应用。文章首先阐述了I/O操作的本质——等待和数据拷贝，并指出高效I/O的关键在于减少等待时间。随后，分别对五种I/O模型进行了详细的比较和分析，并结合代码示例讲解了`fcntl`函数的用法，尤其关注`F_GETFL`和`F_SETFL`命令在设置非阻塞模式中的应用，旨在帮助读者理解和掌握Linux网络编程中的I/O技术。

如何理解IO？

IO指的是计算机系统中输入（Input）和输出（Output）的过程，以计算机本身为参照物，是计算机与外部设备进行数据交互的机制。

输入（Input）是向计算机发送数据的过程，而输出（Output）是从计算机向外部设备发送数据的过程。

IO操作主要包括等待和拷贝两个步骤：

IO = 等待 + 拷贝（等待是主要矛盾）

在等待外部设备准备好数据后，CPU通过针脚发送中断信号通知操作系统。操作系统进入内核态，进行数据拷贝。

因此，IO操作基本可以概括为等待和拷贝两个动作。

高效IO

在IO操作中，时间主要消耗在等待上，因为拷贝的时间相对于等待来说要短得多。

高效的IO操作意味着减少等待时间，从而增加拷贝操作在整个过程中的比重。

第一种IO模型：阻塞IO模型

阻塞IO模型的特点是在系统调用时，如果外部设备未准备好数据，进程会一直等待数据准备就绪。一旦数据准备好，数据就会从内核空间拷贝到用户空间，并返回成功标识符。

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

第二种IO模型：非阻塞IO模型

非阻塞IO模型与阻塞IO模型的最大区别在于，当没有数据可用时，非阻塞IO会立即返回，并返回EWOULDBLOCK错误码。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
void SetNoBlock(int fd){
    int info=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(info

第三种IO模型：信号驱动IO模型

在信号驱动IO模型中，当内核准备好数据时，会使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

与非阻塞IO不同的是，信号驱动IO不会循环检测数据是否准备好，而是当数据真正可用时发送SIGIO信号，确保IO操作成功。

第四种IO模型：IO多路转接模型

IO多路转接模型包括select、poll和epoll等方法。通过允许单个线程同时监控多个文件描述符的I/O状态，可以避免为每个I/O操作创建单独线程，从而减少资源消耗和上下文切换开销。

虽然图示上看起来与阻塞IO模型类似，但IO多路转接的关键在于可以一次性等待多个文件的状态变化（一切皆文件）。

第五种IO模型：异步IO模型

前四种模型都是同步IO，因为它们参与了等待或拷贝的过程。阻塞IO参与了等待和拷贝，非阻塞IO至少参与了拷贝，IO多路转接可以管理多个文件并设置为非阻塞。

异步IO则直接返回，等待和拷贝的过程都由系统完成。处理完成后，系统通过事件、信号等方式通知应用程序。

同步通信和异步通信

同步通信需要参与等待和拷贝的过程，参与其中任何一个步骤即为同步。

异步通信虽然也需要等待和拷贝，但这两个过程完全由系统完成，调用者无需关心这两个过程。系统处理完毕后会通知调用者。

需要注意的是，线程同步和线程互斥与此概念不同。它们是为了保护临界资源，确保资源的一致性。

阻塞和非阻塞

阻塞调用会在调用成功之前挂起线程，直到得到结果后才返回。

非阻塞调用会立即返回，不会阻塞线程。

fcntl函数

文件描述符默认是阻塞的。

函数原型

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

cmd是命令，指定操作类型。主要操作类型包括：

1. 获取、设置文件状态信息：cmd=F_GETFL，F_SETFL。
2. 复制现有描述符：cmd=F_DUPFD。
3. 获取、设置文件描述符标志：cmd=F_GETFD，F_SETFD。
4. 获取、设置异步IO所有权：cmd=F_GETOWN，F_SETOWN。
5. 获取、设置记录锁：cmd=F_GETLK，F_SETLK，F_SETLKW。

根据cmd的不同，可能需要传递额外的参数。例如，设置类的操作需要加入文件状态信息，如O_NONBLOCK用于设置非阻塞模式。

F_DUPFD功能

在F_DUPFD中，返回新的文件描述符，可以设置新描述符的最小值。如果该值已被占用，则生成一个比该值更大的描述符。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY|O_CREAT);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    int new_fd = fcntl(fd, F_DUPFD, 20); // 复制文件描述符，新描述符值大于等于10
    if (new_fd == -1) {
        perror("fcntl");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("Original fd: %d, New fd: %d\n", fd, new_fd);
    cout

F_GETFL和F_SETFL功能

使用F_GETFL和F_SETFL命令可以获取和设置文件状态标志。文件状态标志包括O_APPEND、O_NONBLOCK等。

非阻塞：O_NONBLOCK。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
void SetNoBlock(int fd){
    int info=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(info

结束语

至此，我们已经深入探讨了计算机科学中的诸多重要概念，包括I/O操作、线程同步与互斥、文件描述符管理等。理解这些概念对于编写高效、可靠的程序至关重要。希望本文能够为您的学习和实践提供有益的参考。如果您在实际编程中遇到任何问题，建议查阅相关文档或进一步研究具体案例。感谢您的阅读，祝您在编程的道路上不断进步！

好了，本文到此结束，带大家了解了《【Linux网络】I/O技术深度解析：五模型与fcntl函数》，希望本文对你有所帮助！关注golang学习网公众号，给大家分享更多文章知识！