高級IO，阻塞于非阻塞

1、1、非阻塞IO

1.阻塞與非阻塞

(1)阻塞：就是當前的函數要執行的話，需要某些條件，但是沒有達到，就被阻塞住，內核掛起，當前進程暫停。CPU被拿去運行別的進程了。比如父進程執行wait這個阻塞函數，等待子進程結束后，去回收子進程剩余的8KB內存資源，如果這個時候子進程沒有結束，父進程的wait就會被阻塞，因為條件沒有達到，這個時候父進程就暫停了，內核就掛起了，CPU的時間就去執行別的進程了，不在父進程這里耗了，當子進程結束的時候，OS會給子進程的父進程發送一個SIGCHILD信號，這時父進程就被喚醒了，wait函數執行就將子進程回收掉了

(2)常見的阻塞：

wait、sleep、pasue等函數；

read或write寫文件的時候

(3)阻塞的好處：有利于操作系統的性能的發揮。因為阻塞住了進程會暫停，CPU可以去做別的事情，并且要完成的任務在一定情況下也會被完成的。

(4)但是一個進程中，進行多路IO操作的時候，有時阻塞式的就不好了，比如你當前進程排在前面的IO，由于因為你被阻塞住了，導致你的當前進程陷入了休眠狀態，雖然你將CPU的時間讓給了別的進程了，但是對于你自己的進程來說，你自己進程的剩下那些IO操作就要等你前面的IO操作完了之后才能進行，這樣就會降低了你當前的一個進程中的工作效率了，因為你排在前面的IO操作沒有進行完，你排在后面的IO操作是不肯能得到運行的，都是在一個進程中的。這個時候阻塞就是不好的了，所以有時也需要非阻塞式的操作。

(5)非阻塞式的操作，當你一個進程中進行多路IO的操作的時候，你排在前面的IO操作，由于你沒有用阻塞式的操作，而是非阻塞式的操作，所以即使你的條件沒有達到你也不會讓整個進程陷入沉睡暫停狀態，而是直接返回，直接執行這個進程的下面的內容，這樣對于當前進程的別IO來說，別的進程的執行效率就加大了，這種情況往往是在IO操作設備文件的時候，比如你在讀鼠標這個設備文件，就因為你這讀這個設備文件的時候被阻塞住了，而影響到了其他的設備文件的IO操作，這樣可想而知，真的不好

(6)如何實現非阻塞呢，就是在打開文件的時候加上O_NONBLOCK這個標志屬性和fcntl，fcntl可以讀出一個文件的flag，然后加上O_NONBLOCK這個標志，在將這個flag放回去

2、用read讀取鍵盤，來看阻塞的感覺

(1)因為鍵盤是標準輸入設備，對應的文件描述符是0，在每個進程中都是默認被打開的，所以我們直接read(0, buf, 2);直接讀這個鍵盤就行，讀取兩個字節放到buf中，我們執行這個時候，當我們鍵盤沒有輸入東西完畢按回車的時候(因為Linux的控制臺是行緩沖的，你沒有按下回車的時候，只是把你輸入的東西放到控制臺上顯示，還沒有送到read中，你按下回車后才會被輸入進去。)，當我們沒有輸入東西按回車的時候，發現是被阻塞住的，被卡住了，不動了，這就是阻塞的感覺，這個時候當前的進程被暫停了，因為沒有等待條件，read讀取不到東西，當我們輸入東西按下回車的時候，當前的進程就被喚醒了，read讀取到東西了

3、read讀取鼠標

(1)首先鼠標這個設備文件是需要我們打開的，才能得到文件描述符fd，鼠標的設備文件在/dev/input/mouse0或者可能是/dev/input/mouse1

4、先讀鼠標在鍵盤的情況

(1)我們程序在設計的時候，是先讀取鼠標這個設備文件，在讀取鍵盤這個標準輸入文件，我們會發現，由于我們是阻塞式的，所以我們在鼠標沒有讀取成功的時候，鍵盤輸入了東西敲回車也不好使，只有當鼠標讀取完了之后，才會去讀取鍵盤，這就是阻塞式的壞處，解決方法就是非阻塞

5、并發式IO的解決方案(就是一個進程中對多個IO進行操作時引發的問題，就是上面的4的問題)

(1)解決方案有三個

(2)非阻塞式IO

@1：首先將鍵盤這個文件設置成非阻塞式的，因為鍵盤這個標準輸入，是在每一個進程都打開的，所以我們無法直接用open這個函數去打開這個文件，將其中的flag加上O_NONBLOCK這個標志屬性

所以我們要用fcntl這個函數來去利用文件描述符fd，去將這個文件的屬性進行改成非阻塞的。

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

@2：第一個參數是文件描述符

@3：第二個參數是要的功能，我們的cmd用的宏是F_GETFD (void) F_SETFD (int)，這兩個。

@4：利用F_GETFD這個cmd宏，將fd這個文件的flag讀取出來，之后用F_SETFD這個cmd宏將O_NONBLOCK這個非阻塞式的屬性添加上。

@5：先flag = fcntl(0, F_GETFD);獲取原來的這個文件的flag，然后 flag |= O_NONBLOCK;位或一個O_NONBLOCK。然后在fcntl(0, F_SETFD, flag);將屬性在寫到這個fd中

6、多路復用IO

(1)IO多路復用原理(IO multiplexing),作用和非阻塞IO有點像，是解決并發式IO的問題的

(2)什么時候用多路復用IO呢，在多路IO都是非阻塞式的情況下。為了應對多路非阻塞IO，CPU要一直不停的去輪詢這些非阻塞IO，因為是輪詢，所以必然要消耗時間，有空檔。所以有了多路復用IO。

(3)多路復用IO涉及到的兩個函數：select和poll

(4)IO多路復用的實現原理就是：外部阻塞式，內部非阻塞式自動輪詢多路阻塞式IO。

@1：外部阻塞式的意思是說，select和poll這兩個函數本身是阻塞式的

@2：內部非阻塞式，意思是說，select和poll內部在輪詢幾路IO的時候是非阻塞式的。

@3：select類似于一個監聽的函數，比如，當A這個鼠標IO，和B這個鍵盤IO，我們用select去監聽這兩個IO，我們的鼠標IO，和鍵盤IO，都是阻塞式的，并沒有設置成非阻塞式的，當我們調用select去監聽的時候，當鼠標IO事件和鍵盤IO事件都沒有發生的情況，select本身就是阻塞式的，select會一直在這里等待他監聽的兩個IO事件其中至少發生一個，select去監聽這個兩個IO的時候，是以非阻塞式的方式去輪詢監聽的，這就是外部阻塞式，內部非阻塞式自動輪詢多路阻塞式IO。select函數表現為對外是阻塞式的，對內部監聽的A和B這兩個阻塞式IO表現為非阻塞式的方式去輪詢A和B這兩個阻塞式IO。只要A或者B有一個IO中來數據了，select就會被喚醒，select就會向外面匯報，在沒數據時，select是阻塞式的，select所在的進程變成了暫停狀態

(5)select函數

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval

 *timeout);

@1：第一個參數表示文件描述符的個數，這個值我們應該設置select內部要監聽的多路IO中的那個文件描述符最大的那一個的fd+1，因為文件描述符是從0開始的，所以要加1。

@2：第二個參數中的fd_set是多個文件描述符的集合，是一個結構體。select這個函數在運行的時候，是區分文件描述符所要進行的操作的，所以第二個參數是傳遞了一個要讀的文件描述符，是要對多路文件描述符中那些要讀的文件描述符。第三個參數是傳遞多路文件描述符中要寫的那些文件描述符。第四個參數是那些發生異常的文件描述符，都是輸出型參數。第五個參數是設置超時時間的，因為select是阻塞式的，所以當監聽的IO沒有IO事件時，select就一直被阻塞了，卡住了，當前進程就一直暫停了，所以有時不想select一直被阻塞住，所以有了這個第五個參數，用來設置超時的，時間到了，select就會被喚醒返回

@3：返回值，當select成功的時候，就select監聽的內部有IO事件發生的時候，select返回，這個返回值就是表示select內部有幾個IO事件發生了，如果返回值是0就表示是超時了，沒有監聽到任何的IO事件發生自己超時后返回了，返回值是0，如果返回值是-1，就表示select函數運行錯誤了

@4:void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//將fd，從fd_set中清除出去

   int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判斷fd，在fd_set中有沒有被置位，發生了IO事件對應fd

//會被置位返回值是1，返回值0表示沒有發生這個fd的IO

//事件

   void FD_SET(int fd, fd_set *set);//將fd，添加到fd_set中

   void FD_ZERO(fd_set *set); //是用來將fd_set這個集合中文件描述符置位的清除置位

這四個函數是用來操作fd_set這個文件描述符集合的

(6)poll函數

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

@1：第一個參數是輸出型參數，是文件描述符的集合，第二個參數是poll函數內部監聽的多路IO的最大的文件描述符fd+1，第三個參數是超時時間，是毫秒級別的

@2： struct pollfd {

               int   fd;         /* file descriptor */

               short events;     /* requested events */

               short revents;    /* returned events */

           };

我們給poll傳遞第一個參數的時候，要設置這個結構體的fd和events，fd表示我們要監測哪個fd，events表示要監測這個fd的什么事件

@3：events如果是

 POLLIN 表示監測的是讀

 POLLOUT 表示監測的是寫

@4：revents是內核設置的，當監測的IO事件發生POLLIN或者POLLOUT，我們可以判斷events和revents是否相等來確定是否發生我們想要的IO事件

@5：返回值，當poll成功的時候，返回值是一個正數，非零，表示內核幫我們設置了一個revents，表示有IO事件發生，有幾路IO事件發生了，返回值就是幾，超時時返回0，返回-1表示poll函數運行錯誤了，和select的返回值定義是一樣的

7、多路復用IO的代碼實戰

(1)select函數實現的讀取鍵盤和鼠標的IO多路復用

(2)poll函數實現的讀取鍵盤和鼠標的IO多路復用

8、異步通知（異步IO）

(1)什么是異步IO，可以認為是操作系統用軟件實現的一種軟件中斷響應系統

(2)異步IO的工作方法就是，當前進程在做自己該做的事情，當有一個異步IO的信號SIGIO的時候，就會去執行這個異步IO信號對應的信號處理函數。

(3)所以就是一個進程中向操作系統注冊了一個異步IO的信號對應的信號處理函數，用signal或者sigaction注冊了一個SIGIO對應的信號處理函數，當前進程可以做想做的事情，當有異步IO事件發生了的時候，操作系統會給當前進程發一個SIGIO的異步信號，進程接受到這個SIGIO信號后就會去執行這個信號對應的信號處理函數。就跟被中斷了一樣，去執行了中斷處理函數一樣，只不過這個中斷是由信號來產生的。

(4)異步IO涉及到的函數：

fcntl(主要是設置一些異步通知，F_GETFL，F_SETFL,O_ASYNC,F_SETOWN)

@1：F_GETFL來獲取flag屬性信息

@2：F_SETFL來設置flag屬性信息

@3：O_ASYNC來指示當前的文件描述符可以被接受異步通知，也是一個flag文件屬性，將文件描述符添加這個屬性

@4：F_SETOWN用這個告訴當異步IO事件發生的時候讓OS通知誰，fcntl帶上這個參數后，后面一個變參要加上當前進程的pid，可以getpid來獲得，表示發生異步IO事件的時候OS通知當前的這個進程

signal或者sigaction(綁定SIGIO對應的信號處理函數的)

8、存儲映射IO

(1)mmao函數

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,

                  int fd, off_t offset);

把一個文件和一個內存區域映射起來。

(2)在LCD顯示的時候和IPC共享內存通信的時候會用到

比如，你的LCD要顯示的圖片的話，是和驅動層的一個LCD驅動中劃分出來的一個物理內存中的顯存區域，將這個內存區域設置到LCD控制器中的一個參數中，當這個內存區域有一個圖片的數據的時候，硬件就會自動刷新到LCD屏幕去顯示，但是我們現在是在應用層下，我們在文件系統中的一個打開了一個圖片文件，得到了這個圖片的數據，我們要將這個打開的圖片的數據，也就是要將一塊內存復制到LCD的顯存的那一個內存區域中，這樣每次都直接復制是很浪費CPU時間的，所以就可以mmap將LCD的顯存內存區域和我們的這個打開這個文件時的內存區域映射起來，這樣就相當于關聯起來了，實際上就變成了一個內存區域了，