unix环境高级编程：高级I/O理解

在网络通信中，数据的传输大部分基于socket（socket位于TCP/UDP与HTTP协议之间，当然socket也可以利用SOCK_RAW套接字提供一个数据报接口，用于直接访问下面的网络层，当使用SOCKT_RAW套接字时，应用程序应该构造自己的协议头部）。在unix系统中，将socket的操作抽象为文件的读，写，异常，即一个socket对象可以对应为一个文件描述符(fd)。所以网络I/O与磁盘读写O/I可以属于同一层次上要考虑的问题。

在考虑具体问题之前，首先要明确一个概念，阻塞与非阻塞是对于进程而言：当一个进程想要read一个文件描述符(fd)时，若fd的读缓冲区没有数据，此时进程将会阻塞，直到缓冲区中有数据可以使用，此时进程才会继续向下运行，这种情况便是阻塞I/O。对非阻塞I/O而言，当fd的读缓冲区中没有数据时，进程并不会阻塞在此处，而是立即返回错误，表示该操作如继续执行将会阻塞。下图是一个非阻塞I/O的例子(a.out)

   

执行以下代码：

./a.out < /etc/services 2>stderr.out

可以得到如下结果：

其中35对应的是EAGAIN信号，显然一次输出到终端的数据是有限的，当数据不能write到终端时，进程并没有阻塞，而是返回信号EAGAIN,表明当前写缓冲区已满， 以上代码便是一种轮询操作。

考虑如下一种场景：当该进程必须要从两个或多个fd中同时读取数据时，在这种情况下，我们不能将进程阻塞在任何一个fd的read方法上，原因是，另一个fd可能已经准备好read了，但进程阻塞，无法对其进行任何操作。为了能够使进程同时处理多个fd，我们的第一个想是fork子进程，或者用多线程同时阻塞处理。但这在实现上较为繁琐，且占用资源。另外，也可以用轮询的方法来遍历fd的状态。第三种方法是用异步I/O：进程告诉内核，当fd准备好可以进行I/O时，用一个信号通知进程，这种方法存在的问题在于：每个进程只能有一个信号，如果信号对多个fd都起作用，那么进程在收到该信号时，无法判断是哪个fd准备就绪。以上三种方法或多或少都有问题，我们主要考虑I/O多路转接技术。
I/O多路转接技术想要实现的作用是：将想监听的fd加入一个列表，用某个函数来监听这个列表，当列表中有fd准备就绪时，返回准备就绪的fd给进程使用。select函数和poll函数便是实现该功能。select函数如下：

传给select的参数告诉内核：

我们所关心的描述符

对于每个描述符，我们所关心的条件

愿意等待多长时间

select将会返回：

已经准备好的描述符的总数量

对于读，写，异常，哪些描述符已经准备好了。

该函数返回的fd一定是准备就绪的，调用对应的read,write函数一定不会发生阻塞。select函数的具体实现过程：

1. 从用户态copy fd_set到内核空间
2. 注册回调函数pollwait（将进程挂到每个socket的等待队列中，
当socket准备好后（执行mask状态码进行判断，再唤醒进程））
3. 内核遍历fd，调用每一个fd的poll方法，返回socket的mask状态掩码，即
现在准备好了没有，给fd_set赋值
4.当无可读写mask码时，select睡眠（On Linux, select() modifies 
timeout to reflect the amount of time not slept），等睡眠时间到，
再次醒来轮询fd_set（内核态轮询）
5. 有值时返回fd_set，将其copy到用户空间
6. 用户进程变为运行态，循环fd_set，得到准备好的fd。

内核创建一个epoll对象，epoll_ctl函数向epoll对象中添加需要监听的fd，当fd准备就绪时，中断程序会操作epoll对象，而不是操作进程。当进程执行到epoll_wait时，如果就绪列表存在已经准备好的fd，进程将会被唤醒。

epoll的作用是提升事件循环查询“io事件”的效率，他允许用户进程同时监听多个文件描述符的io事件即io多路复用。同时epoll在实现上是十分高效的，相对于poll/select，epoll使得进程可以监控更多的文件描述符。epoll采用注册机制，在内核中保存用户关注的文件描述符（红黑树保存），不像select一样每次都需要传入所有的文件描述符，效率更高(减少了从用户空间向内核空间的拷贝)。epoll不像select一样会在内核中轮询所有的文件描述符（低效的），epoll会在不同文件描述符对应的设备的等待队列中添加一个回调函数，在回掉函数中将对应的文件描述符添加至epoll的rdlist队列（高效的），当进程调用epoll_wait时，内核检查该队列是否为空，如果是空则阻塞进程，如果不为空则将该队列拷贝至用户空间，并返回该函数。epoll的两种触发模式：

1.水平触发：只要fd仍然可读或写，每次调用epoll_wait都会返回该文件描述符；

2.边缘触发：只fd仍然可读或写，每次调用epoll_wait只会返回一次该文件描述符；

注意异步I/O与非阻塞I/O的区别，异步I/O，需要用回调函数来处理，fd准备好之后的情况，比较复杂。而非阻塞则是在fd的read，write操作时，一定可以立即得到结果，不会阻塞进程。