2 阻塞與非阻塞IO

課程內容#

理解兩者的真正含義及區別，能回答以上問題

兩者的字面意思#

上班

阻塞：上班時堵車了，等或者使用其他方法，總之要去上班
非阻塞：上班堵車了，直接不去了

老媽讓買醬油

阻塞：沒有醬油了，問媽要不換別的，或者換別的買
非阻塞：沒有醬油了，不買了

讓小明寫報告

阻塞：小明寫的時候，等他寫完
非阻塞：不用乾等小明寫，之後再告知結果 [自己問小明 - 同步 / 小明主動告訴我 - 異步]

燒開水

阻塞：燒開水的過程中，你不能幹其他事情，只能站那等水開
非阻塞：燒開水的過程中，你可以幹其他事情，比如去客廳看看電視
參考同步異步、阻塞非阻塞極簡解釋——CSDN

引入#

回顧 open 函數中的 O_NONBLOCK
- 一切皆文件，所以一切都可以阻塞 / 非阻塞
分析寫文件的過程
- 打開→write→關閉
- 其中，write 屬於系統調用，具體過程如下
  - 數據→內核→磁碟：內核拷貝數據，放在緩衝區 [塊緩衝]，清刷緩衝時，調度 IO 設備，找到 inode 和 block，將數據寫入磁碟
    - 第一步數據→內核是用戶態，第二步內核→磁碟是內核態，存在轉換
    - 參考怎樣去理解 Linux 用戶態和內核態？—— 知乎
  - NON_BLOCK 設置的是用戶態 [數據→內核或者內核→數據] 的過程
    - 大部分的阻塞是在從內核拿數據出來
  - 內核→磁碟的過程實際是阻塞的
    - 為了方便上層應用快速返回寫的狀態，內核將數據寫到磁碟的過程，普通用戶不需要感知
    - 內核拷貝完數據，程序返回，普通用戶就認為寫成功了，但數據很有可能還在緩衝區 [緩衝 IO]

fcntl#

操作文件描述符 [可以將文件變成非阻塞的]

man fcntl
原型
- fd：文件描述符。最常見的文件描述符：0、1、2
- cmd：操作方式
- ... /* arg */
  - 可變參數
  - arg，指示該參數是前面參數 [cmd] 的參數，其含義取決於 cmd
描述
- cmd 在圓括號裡指示是否有可變參數，最多一個
- 可變參數類型一般是 int，使用用宏定義，本質是位掩碼，通過位運算改變狀態
- 其中有一類 cmd：與【文件狀態標誌】相關
  - 即可獲得或設置文件狀態 [如 O_NONBLOCK]
返回值
- 觀察返回值，考慮程序中的判斷
- 出錯都是返回 - 1，設置操作成功都是返回 0

select#

同步 I/O 多路復用 [接口]

man select
原型
- nfds：文件描述符的數量
- fd_set：文件描述符的集合
  - 可讀、可寫、異常
  - 底層是用數組是實現的
- timeout：時間間隔
- 四個宏用來操作集合，見後
描述
- 允許程序去監控多個文件描述符，等待一個或多個文件描述符的 I/O 操作 "ready" 的情況
  - ready：就緒，可以對文件進行相應的 IO 操作，如沒有阻塞的讀，或足夠小的寫
- 可監控的文件描述符數量小於 FD_SETSIZE [一般為 1024]
- 退出的時候，每個文件描述符集合會被修改，只留下狀態發生變化的文件描述符，起指示作用
  - 所以，如果循環使用 select，每次調用 select 前需要重新初始化每個集合
- 集合可以是 NULL，說明該類事件中沒有文件被監控
- 宏用來操作集合
  - FD_ZERO：清空一個集合
  - FD_SET：向一個集合添加一個文件描述符
  - FD_CLR：從一個集合移除一個文件描述符
  - FD_ISSET：判斷一個文件描述符的所屬集合，可用於 select 返回後，因為集合已被修改
- nfds 的值是三個集合中數字最大的文件描述符加一
  - 文件描述符的索引是從 0 開始的
- struct timeval timeout
  - 指定 select 阻塞著等待每個文件描述符就緒的時間間隔
    - 這裡阻塞的含義就是單純的阻塞，不是阻塞 I/O 的阻塞
    - [個人理解] 同步 I/O 的多路復用的同步就體現在這
  - 三種停止阻塞的情況
    - 一個文件描述符就緒
    - 信號中斷 [kill]
    - 超時
  - 時間間隔不是精確的，很難做到真正的精確
    - 系統時鐘粒度、內核調度延遲
  - timeval 結構體中有兩個成員：秒、微秒
    - 如果兩者都為 0，就會立即返回，可用於輪詢 [polling]
    - 如果為 NULL，就會無期限等待
  - timeout 更新功能只在 Linux 上生效
  - 為了兼容性，盡量別用，盡量使用比較公共的功能
返回值
- 返回此時所有集合中文件描述符 [ready] 數量
  - 根據數量，再通過宏定義 FD_ISSET 詢問所有文件描述符的所在集合，來感知狀態變化
  - 0：時間過完了，也沒有感興趣的事件發生
  - -1：error，並設置 errno；此時集合不會改變，timeout 變成未定義的了

[PS]

select → poll → epoll，越來越高級
- man poll
- man epoll
- 均與 select 做的任務相似

代碼演示#

實現使文件非阻塞和阻塞的接口#

common.h
- 兩個接口
head.h
- 頭文件的順序是有講究的，一般把自己本項目的頭文件放後面
- 參考#include 的路徑及順序——Google C++ 編程風格
common.c
- 設置 flag 時不能改變原有的 flag
- 👉先 get，再通過位或 / 位與來添加 / 刪除 flag

非阻塞的 0 號文件#

常用文件 0、1、2 不用手動打開
- 創建進程時自動打開這三個文件
- 它們是繼承過來的
編譯命令：gcc 1.test.c ../common/common.c -I ../common/
- 編譯記得添加 common.c 文件
0 號文件設置成非阻塞後，關鍵變化在於 0 號文件的讀寫變成了非阻塞的
- ① 沒有 sleep
  - scanf 就是讀 0 號文件
  - 但沒有數據，直接走，不會阻塞著等 0 號文件有數據
- ② 有 sleep
  - 在 sleep 的 5 秒裡，在終端輸入數據 [+ 回車，行緩衝]
    - 進程暫停，不佔用 CPU
    - 但標準輸入流仍然打開著，用戶在終端輸入的數據會由內核傳給 0 號文件
      - 文件是內核維護的，sleep 的過程內核可以給文件寫數據
  - 在 sleep 結束後，scanf 讀走 0 號文件的數據
- 【明確】非阻塞是指某個對象，比如 0 號文件；而不是某個函數、某個操作
[PS]
- 阻塞：可能浪費時間
- 非阻塞：可能浪費資源
  - 一般用於大型的程序、高並發伺服器

對 0 號文件的 select#

拷貝自 man 手冊 ——man select 裡的 EXAMPLE
select 可以感知到 I/O 的到來
運行效果
- 終端輸入 ls，程序結束後還會執行 ls
- 因為緩衝區的內容沒有被取走 [如 scanf]，最終被 zsh 接走了
select 在這監控的時間間隔裡發生了阻塞
- 在所有的用戶層面的程序裡，所謂的阻塞就是睡覺 [sleep ()]
- 阻塞終止條件：ready、signal 中斷、超時
[延伸應用]
- 給阻塞的地方設置一個定時，超時則使用默認值
  - 避免異常情況阻塞過久 [SSH 主機不可達...]
  - 更人性化

附加知識點#

I/O 感知的方式可以有很多種，其中內核完全知道 IO 的到來

思考點#

scanf 的時候，在終端輸入了回車，是將數據放入了緩衝區，還是清空緩衝區給了 scanf 呢？
- 一文帶你讀懂 C/C++ 語言輸入輸出流與緩存區
- 是前者

Tips#

課程預告：多進程 [fork...]
可以考慮 cp 的實現
- 考察文件的讀寫操作
- 必須阻塞