非阻塞

  • 思考：读普通文件会阻塞吗？

读普通文件时，如果读到了数据就成功返回，如果没有读到数据返回0，总之不会阻塞。

  • 思考：写文件时会阻塞吗？

在写某些文件时，当文件不能立即接收写入的数据时，也可能会导致写操作阻塞，一直阻塞到写成功为止。

  • 如何实现非阻塞读？
  1. open()打开文件时指定O_NONBLOCK状态标志；
  2. 通过fcntl函数指定O_NONBLOCK来实现；

文件锁

  • 作用

当多个进程同时读写一个文件时，为了不让进程间相互干扰，我们可以使用进程信号量来互斥实现，除了可以使用进程信号量以外，还可以使用“文件锁”来实现，而且功能更丰富。

  • 多进程读写应该满足的关系：
  1. 写与写互斥。当某个进程正在写文件，而且在数据没有写完时，其它进程不能写，否者会相互打乱对方写的数据。
  2. 读与写互斥，分两种情况：①某个进程正在写数据时，其它进程不能读数据、②某个进程正在读数据时，其它进程不能写数据。
  3. 读与读共享。因为读文件是不会修改文件的内容，所以不用担心数据相互干扰的问题。
  • 文件锁的读锁与写锁

对文件加锁时可以加两种锁，分别是“读文件锁”和“写文件锁”。读写锁之间的关系也应该满足：

  1. 读锁和读锁共享：可以重复加读锁，别人加了读锁在没有解锁之前，依然可以加读锁。
  2. 读锁与写锁互斥：别人加了读锁没有解锁前，加写锁会失败，反过来也是如此。
  3. 写锁与写锁互斥：别人加了写锁在没有解锁前，不能加写锁，加写锁会失败。
  • 文件锁的加锁方式
  1. 对整个文件内容加锁
  2. 对文件某部分内容加锁
  • 原理

链表上节点代表是一把锁（读锁和写锁），节点存在时表示没有解锁，如果解锁了锁节点就不存在了。锁节点记录了锁的基本信息。加锁时，进程会检查共享的文件锁链表。

与进程信号量比较：

  1. 进程信号量：进程间共享信号量集合，通过检查集合中信号量的值，从而知道自己能不能操作。
  2. 文件锁：进程共享文件锁链表，通过检查链表上的锁节点，从而知道自己能不能操作。
  • 小tips：
  1. 在同一进程中，如果多个文件描述符指向同一文件，只要关闭其中任意一个文件描述符，那么该进程加在文件上的文件锁都会被删除，也就是该进程在“文件锁链表”上的“读锁写锁”节点会被删除。（进程终止时会关闭所有打开的fd，所以进程结束时会自动删除所有的文件锁。）
  2. 父进程所加的文件锁，子进程不会继承 。
  • 思考：多线程间能不能使用fcntl实现的文件锁呢？

可以，但是线程不能使用同一个open()返回的fd，线程必须使用自己open()所得到的fd才有效。

  • 使用flock()实现文件锁

flock用于多进程时，各进程必须独立open打开文件。需要注意的是对于父子进程，子进程不能使用从父进程继承而来的fd，父子进程flock时必须使用独自open所返回的文件描述符。这一点与fcntl实现的文件锁不一样，父子进程可以使用各自open返回的文件描述符加锁，但是同时子进程也可以使用从父进程继承而来的文件描述符加锁。用于多线程时与用于多进程一样，各线程必须使用各自open所返回的文件描述符才能加锁。

IO多路复用

  • 对于多路io来说，只有操作阻塞的fd才有意义。
  • 多路IO有什么优势（以同时读鼠标和键盘为例，如果使用）：
  1. 多进程实现。进程切换开销太大，不建议。
  2. 非阻塞方式。cpu空转，耗费cpu资源，不建议。
  3. 多线程。常用的一种方法。
  4. 多路IO。使用多路IO时，多路IO机制由于在监听时如果没有动静的话，监听会休眠，因此开销也很低。相比于多线程，优势在于能够同时管理大量的fd。

select()

  • 工作原理：

将用户传入的fd集合拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态。

  • 形参中包含timeout结构体指针，该结构体成员结构为：

struct timeval {
 long tv_sec; /* seconds（秒） /
 long tv_usec; / microseconds （微秒）*/
};
时间精度为微妙，也就是说可以设置一个精度为微妙级别的超时时间。由于select函数有超时功能，实际上可以使用select模拟出一个微妙级精度的定时器。

  • 使用步骤：
  1. 创建fd_set
  2. while(1){
     用FD_ZERO初始化集合
     使用FD_SET往集合中添加fd
     ret = select();
     if(ret>0){
      使用FD_ISSET判断是哪个fd有动静
      }
    }
  • select每次重新监听时需要重新设置“集合”和“超时时间”，因为每次select监听结束时会清空“集合”和“超时时间”。

poll()

由于poll()与select()基本是类似的，所以此处分析下不同点即可：

  1. 没有最大连接数的限制。
  2. 每次监听不会清空fd集合，故重新监听时不需要重新配置fd集合。

异步IO

  • 原理

进程设置完SIGIO的信号处理函数后就可以去忙其他事，当底层把数据准备好后，内核就会给进程发送SIGIO信号通知进程，该通知会触发信号处理函数去读写数据。

  • 使用异步IO时，应用层的设置步骤：
  1. 调用signal函数对SIGIO信号设置处理函数。
  2. 使用fcntl函数，将接收SIGIO信号的进程设置为当前进程。如果不设置的，底层驱动并不知道将SIGIO信号发送给哪一个进程。fcntl(mousefd, F_SETOWN, getpid());
  3. 对文件描述符增设O_ASYNC的状态标志，让fd支持异步IO。两种方式：①open()和②fcntl()

存储映射IO

  • 存储映射IO的目的是克服普通读写文件时的缺点，缺点表现在：

使用文件IO的read/write来进行文件的普通读写时，函数经过层层调用后，才能够最终操作到文件，效率低。

  • 思考：read/write这种普通读写文件的方式效率不高，那还留着它干嘛？

因为对于数据量较少的情况来说，这种普通读写方式还是非常方便的，而且数据量较少时，效率并不会太低，只有当数据量非常大时，效率的影响才会非常的明显。

  • 如何克服read/write的缺点？

使用mmap()实现存储映射IO。map除了“地图”还有“映射”的意思。因为“地图”本身就真实地理环境的映射，所以地图与映射本质是一回事。

  • 原理：

将一个磁盘文件映射到进程空间中的一片内存中，于是对文件的读写操作就转变为了对缓冲区的读写，这样，就可以在不使用read/write的情况下进行IO，省去了繁杂的中间调用过程，便于对大量数据的高效IO。

  • 思考：使用mmap()时，read/write被省掉了，open是不是也被省掉了？

open不能省，必须要将文件open后，才能使用mmap进行映射。

  • 与共享内存的区别：

共享内存是内存与内存间的映射。mmap()是硬盘与内存间的映射。

  • tip：mmap()映射大小为0的文件时会失败，映射失败时内核会向进程发送一个SIGBUS信号。