企业做营销网站,慈溪网站设计,app开发公司怎么找到需要定制的客户,阿里巴巴1688官网登录高级I/O操作与非阻塞I/O
在操作系统中#xff0c;I/O#xff08;输入/输出#xff09;操作是所有实现的基础。本文将探讨阻塞I/O与非阻塞I/O的区别#xff0c;以及如何使用有限状态机来实现非阻塞I/O#xff0c;并介绍数据中继的概念。
阻塞I/O与非阻塞I/O
阻塞I/O
阻…高级I/O操作与非阻塞I/O
在操作系统中I/O输入/输出操作是所有实现的基础。本文将探讨阻塞I/O与非阻塞I/O的区别以及如何使用有限状态机来实现非阻塞I/O并介绍数据中继的概念。
阻塞I/O与非阻塞I/O
阻塞I/O
阻塞I/O是操作系统中默认的I/O操作方式。在阻塞I/O中如果系统调用如read()或write()无法立即执行进程将被阻塞直到可以进行I/O操作为止。这意味着如果一个进程正在等待I/O操作它将无法进行任何其他操作。
非阻塞I/O
非阻塞I/O允许进程在I/O操作无法立即执行时继续进行其他操作。在非阻塞模式下如果读操作时设备数据不充足或写数据时缓冲区空间不足系统会返回一个EAGAIN错误告诉进程当前无法进行I/O操作进程可以稍后再试。
有限状态机编程
有限状态机Finite State Machine, FSM是一种用来处理复杂流程的编程模型。它适用于流程结构化的场景也可以用于处理复杂且非结构化的流程。
有限状态机解决的问题是复杂流程。 简单流程自然流程是结构化的按照人类顺序思维解决的问题。 复杂流程自然流程不是结构化的比如先前的MultiButton。
实现非阻塞I/O
要在Linux操作系统下实现非阻塞I/O可以使用O_NONBLOCK标志来设置文件描述符。以下是一个简单的示例展示如何打开一个文件并以非阻塞方式读取数据。
int fd open(file.txt, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd 0) {perror(open());exit(1);
}数据中继原理解析
数据中继是指在两个设备之间进行数据交换的过程。在数据中继中一个设备作为源设备另一个设备作为目标设备。数据中继的实现通常涉及两个状态机一个用于读取数据源设备另一个用于写入数据目标设备。 假设打开两个设备要在两个设备之间进行数据交换数据中继 两个设备也有其它数据来源 要实现的功能 读左然后写右和读右然后写左 要是用阻塞的话左边一直没数据来会卡在读左等待 分成两个任务一个读左然后写右一个读右然后写左
具体实例 在linux操作系统下实现终端设备界面相互切换。实现读取fd1的数据写入的fd2中读取fd2的数据写入到fd1当中。 状态机简单示意图如下所示
非阻塞IO
简单流程自然流程是结构化的
复杂流程自然流程不是结构化的
完成数据中继就像copy文件的程序
非阻塞操作
在Linux中一切皆文件文件读写操作默认是阻塞的。但是可以通过设置O_NONBLOCK标志将读写操作设置为非阻塞方式。如果读操作时设备数据不足或者写操作时缓冲区空间不足系统会返回-EAGAIN错误但不会阻塞线程。
例子
int fd open(file.txt, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd 0) {perror(open());exit(1);
}fcntl fcntl函数的作用是获取和设置文件的访问模式和状态标志。
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);参数说明
fd文件描述符。cmd控制命令如F_GETFL和F_SETFL。F_GETFL (void)返回文件访问模式和文件状态标志。F_SETFL (int)设置文件状态标志为指定值忽略文件访问模式和文件创建标志。
在Linux中F_SETFL命令可以改变O_APPEND、O_ASYNC、O_DIRECT、O_NOATIME和O_NONBLOCK标志但不能改变O_DSYNC和O_SYNC标志。
relay函数编写
获取文件原有状态。在原有状态基础上添加非阻塞状态。
relay(int fd1, int fd2) {int fd1save fcntl(fd1, F_GETFL); // 获取文件状态fcntl(fd1, F_SETFL, fd1save | O_NONBLOCK); // 设置文件为非阻塞状态int fd2save fcntl(fd2, F_GETFL); // 获取文件状态fcntl(fd2, F_SETFL, fd2save | O_NONBLOCK); // 设置文件为非阻塞状态
}定义两个状态机一个负责从源文件读取数据到目标文件另一个负责从目标文件读取数据到源文件。
// 状态机状态枚举
enum {STATE_R 1, // 读态STATE_W, // 写态STATE_EX, // 异常终止态STATE_T // 退出态
};// 状态机结构体
struct fsm_st {int state; // 当前状态int sfd; // 源文件描述符int dfd; // 目标文件描述符int len; // 读取长度int pos; // 位置char *errstr; // 报错信息char buf[BUFSIZE]; // 缓冲区
};// 初始化状态机
static void relay(int fd1, int fd2) {struct fsm_st fsm12, fsm21;int fd1save fcntl(fd1, F_GETFL);fcntl(fd1, F_SETFL, fd1save | O_NONBLOCK);int fd2save fcntl(fd2, F_GETFL);fcntl(fd2, F_SETFL, fd2save | O_NONBLOCK);fsm12.state STATE_R;fsm12.sfd fd1;fsm12.dfd fd2;fsm21.state STATE_R;fsm21.sfd fd2;fsm21.dfd fd1;// ...
}// 当不是退出态时推动状态机
while (fsm12.state ! STATE_T fsm21.state ! STATE_T) {fsm_driver(fsm12);fsm_driver(fsm21);
}// 恢复起始默认状态
fcntl(fd1, F_SETFL, fd1save);
fcntl(fd2, F_SETFL, fd2save);
}fsm_driver推动状态机
-----------------c
static void fsm_driver(struct fsm_st *fsm) {int ret;switch (fsm-state) {case STATE_R:fsm-len read(fsm-sfd, fsm-buf, BUFSIZE);if (fsm-len 0) {fsm-state STATE_T;} else if (fsm-len 0) {fsm-errstr read();fsm-state STATE_EX;} else {fsm-pos 0;fsm-state STATE_W;}break;case STATE_W:ret write(fsm-dfd, fsm-buf fsm-pos, fsm-len);if (ret 0) {fsm-errstr write();fsm-state STATE_EX;} else {fsm-pos ret;fsm-len - ret;if (fsm-len 0) {fsm-state STATE_R;} else {fsm-state STATE_W;}}break;case STATE_EX:perror(fsm-errstr);fsm-state STATE_T;break;case STATE_T:// 执行一些清理工作break;default:abort();}
}完整代码
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include fcntl.h
#include unistd.h
#include errno.h#define TTY1 /dev/tty11
#define TTY2 /dev/tty12#define BUFSIZE 1024/*状态机状态枚举类型*/
enum
{STATE_R1, //读态STATE_W, //写态STATE_Ex, //异常终止态STATE_T //退出态
};/*状态机结构体*/
struct fsm_st
{int state; //当前状态机的状态int sfd;//源文件描述符int dfd;//目标文件描述符int len;//读取长度int pos;//位置char * errstr; //报错信息char buf[BUFSIZE]; //buf缓冲区
};/**************推动状态机****************/
static void fsm_driver(struct fsm_st*fsm)
{int ret;switch (fsm-state){/*状态机读取*/case STATE_R:/*读取到的源fd存储到buf中*/fsm-len read(fsm-sfd,fsm-buf,BUFSIZE);/*如果读取0字节,退出状态机*/if (fsm-len 0)fsm-state STATE_T;/*如果读取0字节,进行状态判断*/else if (fsm-len 0){/*如果读取0字节,二次判断*/if (errno EAGAIN)fsm-state STATE_R;else{/*宕机退出*/fsm-errstr read();fsm-state STATE_Ex;}}else/*都没有报错,说明读取正常,则开始状态机写入*/{/*******初始化写入的位置为0***************/fsm-pos 0;fsm-state STATE_W;}break;/*状态机写入*/case STATE_W:/*写入读取到的数据len*/ret write(fsm-dfd,fsm-buffsm-pos,fsm-len);/*写入读取到的数据0*/if(ret 0){/*假的错误*/if (errno EAGAIN)/*再次进入写入*/fsm-state STATE_W;else/*真正读取错误*/{/*读取错误*/fsm-errstr read();/*宕机退出*/fsm-state STATE_Ex;}}else/***************坚持写够len个字节数***************/{/*******从pos的位置继续向下写入字节***************/fsm-pos ret;fsm-len - ret;/*如果写入完成*/if(fsm-len 0)/*返回读态*/fsm-state STATE_R;/*否则返回写态,继续写够len个字节*/elsefsm-state STATE_W;}break;/*宕机退出*/case STATE_Ex:perror(fsm-errstr);fsm-state STATE_T;break;/*完整退出*/case STATE_T:/*do sth*/break;default:/*如果都不是以上任意一个状态,发送异常*/abort();break;}}static void relay(int fd1,int fd2)
{struct fsm_st fsm12,fsm21; //定义结构体读左写右读右写左/*首先保证文件是以非阻塞实现的*/int fd1_save fcntl(fd1,F_GETFL); //获取文件状态fcntl(fd1,F_SETFL,fd1_save|O_NONBLOCK);//追加文件描述符的状态为非阻塞int fd2_save fcntl(fd2,F_GETFL); //获取文件状态fcntl(fd2,F_SETFL,fd1_save|O_NONBLOCK); //追加文件描述符的状态为非阻塞/******************************//*初始化状态机*/fsm12.state STATE_R;fsm12.sfd fd1;fsm12.dfd fd2;fsm21.state STATE_R;fsm21.sfd fd2;fsm21.dfd fd1;/**************//*当不是退出态,推动状态机*/while (fsm12.state ! STATE_T ||fsm21.state ! STATE_T ){fsm_driver(fsm12);fsm_driver(fsm21);}/************************//*恢复起始默认状态*/fcntl(fd1,F_SETFL,fd1_save);fcntl(fd2,F_SETFL,fd2_save);/******************/
}int main()
{int fd1,fd2;/*模拟用户打开设备*/fd1 open(TTY1,O_RDWR);if(fd1 0){perror(open());exit(1);}write(fd1,TTY1\n,5);/*模拟用户打开设备,以非阻塞方式打开设备*/fd2 open(TTY2,O_RDWR|O_NONBLOCK);if(fd2 0){perror(open());exit(1);}write(fd2,TTY2\n,5);/*中继引擎函数*/relay(fd1,fd2);close(fd2);close(fd1);exit(0);
}
测试: 要用root用户执行 ctlatlF11和ctlatlF12来回切换观察 ctlatlF1回到图像界面
IO多路转接 解决IO密集型任务中忙等的问题监视多个文件描述符的行为当当前文件描述符发生了我们感兴趣的行为时才去做后续操作。常见的IO多路转接函数有select()、poll()、epoll()等。
select()
可以实现安全的休眠(替代sleep)前面都给NULL只设置最后的timeout select() 兼容性好 但设计有缺陷 以事件为单位组织文件描述符 nfds的类型问题 参数没有const修饰 也就是函数会修改 fdset 任务和结果放在一起 监视的事件太过单一 读 写 异常(异常的种类非常多) 原函数
#include sys/select.hint select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);参数fd_set 文件描述符集合 void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 在指定集合中删除指定文件描述符int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 判断一个文件描述符是否在集合void FD_SET(int fd, fd_set *set); 添加文件描述符到集合void FD_ZERO(fd_set *set); 集合置0 nfds 要监视文件描述符里最大的再加1readfds 所关心的可以发生读的状态的集合(当里面有文件描述符发生读就返回)writerfds 所关心的可以发生写的状态的集合(当里面有文件描述符发生写就返回)exceptfds 所关心异常的情况timerout 超时设置不设置会发生忙等 struct timeval { time_t tv_sec; /* seconds /秒 suseconds_t tv_usec; / microseconds */微秒 }; 返回值 返回发生行为的文件描述符的个数发生行为的文件描述符会覆盖回原来的集合会有假错因为是阻塞的会被信号打断
忙等与非阻塞IO
忙等会消耗CPU资源当没有数据可读时会一直消耗CPU。非阻塞IO不会消耗CPU当没有数据可读时会立即返回。
IO多路转接示例
#include sys/select.hstatic int max(int a, int b) {if (a b) return a;return b;
}static void relay(int fd1, int fd2) {int old_fd1, old_fd2;fd_set rset, wset;old_fd1 fcntl(fd1, F_GETFL);fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1 | O_NONBLOCK);old_fd2 fcntl(fd2, F_GETFL);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2 | O_NONBLOCK);struct fsm_st fsm12, fsm21; // 读左写右 读右写左fsm12.state STATE_R;fsm12.sfd fd1;fsm12.dfd fd2;fsm21.state STATE_R;fsm21.sfd fd2;fsm21.dfd fd1;while (fsm12.state ! STATE_T || fsm21.state ! STATE_T) {// 布置监视任务FD_ZERO(rset);FD_ZERO(wset);if (fsm12.state STATE_R)FD_SET(fsm12.sfd, rset);if (fsm12.state STATE_W)FD_SET(fsm12.sfd, wset);if (fsm21.state STATE_R)FD_SET(fsm21.sfd, rset);if (fsm21.state STATE_W)FD_SET(fsm21.sfd, wset);// 监视struct timeval ts;ts.tv_sec 0;ts.tv_usec 2;int maxfd max(fd1, fd2);if (fsm12.state STATE_AUTO || fsm21.state STATE_AUTO) {if (select(maxfd 1, rset, wset, NULL, ts) 0) {if (errno EINTR)continue;perror(select());exit(1);}}// 查看监视结果if (FD_ISSET(fd1, rset) || FD_ISSET(fd2, wset) || fsm12.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm12);}if (FD_ISSET(fd2, rset) || FD_ISSET(fd1, wset) || fsm21.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm21);}}// 恢复原来的文件描述符状态fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2);
}enum {STATE_R 1,STATE_W,STATE_AUTO,STATE_Ex,STATE_T
};在这个例子中我们使用了select()函数来监视两个文件描述符fd1和fd2。当其中一个文件描述符准备好读或写时相应的状态机fsm12或fsm21就会被推进。这里增加了一个STATE_AUTO状态用于在EX或T状态之外的其他状态时触发读写操作。这样可以避免在异常或退出状态时进行不必要的读写操作。
poll() poll()函数用于等待文件描述符上的事件。它以文件描述符为单位组织事件相比select()更加可移植。
原函数
#include poll.hint poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);作用
fds: 指向struct pollfd数组的指针用于指定要监视的文件描述符及其对应的事件。nfds: 要监视的文件描述符数量。timeout: 超时时间单位为毫秒。-1表示阻塞直到有事件发生0表示非阻塞立即返回大于0表示等待指定时间。
参数
struct pollfd: 用于指定文件描述符和事件。 fd: 文件描述符。events: 所关心的事件如POLLIN(可读)、POLLOUT(可写)等。revents: 发生的事件。
返回值
返回就绪文件描述符的个数。
例子
#include poll.hstatic void relay(int fd1, int fd2) {int old_fd1, old_fd2;struct fsm_st fsm12, fsm21; // 读左写右 读右写左struct pollfd pfd[2];old_fd1 fcntl(fd1, F_GETFL);fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1 | O_NONBLOCK);old_fd2 fcntl(fd2, F_GETFL);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2 | O_NONBLOCK);fsm12.state STATE_R;fsm12.sfd fd1;fsm12.dfd fd2;fsm21.state STATE_R;fsm21.sfd fd2;fsm21.dfd fd1;pfd[0].fd fd1;pfd[1].fd fd2;while (fsm12.state ! STATE_T || fsm21.state ! STATE_T) {// 布置监视任务pfd[0].events 0; // 事件清零if (fsm12.state STATE_R) // 1可读pfd[0].events | POLLIN;if (fsm21.state STATE_W) // 1可写pfd[0].events | POLLOUT;pfd[1].events 0; // 事件清零if (fsm21.state STATE_R) // 2可读pfd[1].events | POLLIN;if (fsm12.state STATE_W) // 2可写pfd[1].events | POLLOUT;// 监视if (fsm12.state STATE_AUTO || fsm21.state STATE_AUTO) {while (poll(pfd, 2, -1) 0) {if (errno EINTR)continue;perror(poll());exit(1);}}// 查看监视结果if (pfd[0].revents POLLIN || pfd[1].revents POLLOUT || fsm12.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm12);}if (pfd[1].revents POLLIN || pfd[0].revents POLLOUT || fsm21.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm21);}}// 恢复原来的文件描述符状态fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2);
}在这个例子中我们使用了poll()函数来监视两个文件描述符fd1和fd2。poll()通过struct pollfd结构体来指定要监视的文件描述符和对应的事件。当文件描述符上发生的事件匹配我们设置的事件时poll()会返回就绪文件描述符的个数。
epoll
epoll 是 Linux 特有的 I/O 多路复用机制它是对 poll 机制的增强和优化因此不具有跨平台性。
epoll_create()
原函数
#include sys/epoll.hint epoll_create(int size);作用创建一个 epoll 实例。
参数size 参数可以随意给一个大于 0 的数用于指定 epoll 实例的最大监听数。
返回值返回新创建的 epoll 实例的文件描述符。
epoll_ctl()
原函数
#include sys/epoll.hint epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);作用控制 epoll 实例对指定 epoll 实例 epfd 中的文件描述符 fd 执行操作 op添加、修改、删除。
参数
epfdepoll 实例的文件描述符。op操作类型如 EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL。fd要操作的文件描述符。event指定的事件包括 events 和 data 两个字段。
epoll_event 结构
events所需监听的事件类型如 EPOLLIN可读、EPOLLOUT可写等。data用户数据可以是文件描述符也可以是与文件描述符相关联的其他数据。
typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t events; /* Epoll events */epoll_data_t data; /* User data variable */
};
epoll_wait()
原函数
#include sys/epoll.hint epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);作用等待文件描述符上的事件。
参数
epfdepoll 实例的文件描述符。events用于存放等待的事件。maxevents最多可以返回的事件数。timeout超时时间-1 表示阻塞直到有事件发生0 表示非阻塞立即返回正数表示等待指定时间。
返回值返回就绪的事件数。
示例
#include sys/epoll.hstatic void relay(int fd1, int fd2) {int old_fd1, old_fd2;struct fsm_st fsm12, fsm21; // 读左写右 读右写左struct epoll_event ev;old_fd1 fcntl(fd1, F_GETFL);fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1 | O_NONBLOCK);old_fd2 fcntl(fd2, F_GETFL);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2 | O_NONBLOCK);fsm12.state STATE_R;fsm12.sfd fd1;fsm12.dfd fd2;fsm21.state STATE_R;fsm21.sfd fd2;fsm21.dfd fd1;int epfd epoll_create(2);if (epfd 0) {perror(epoll_create());exit(1);}ev.data.fd fd1;ev.events 0;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd1, ev);ev.data.fd fd2;ev.events 0;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd2, ev);while (fsm12.state ! STATE_T || fsm21.state ! STATE_T) {ev.data.fd fd1;ev.events 0;// 布置监视任务if (fsm12.state STATE_R) // 1可读ev.events | EPOLLIN;if (fsm21.state STATE_W) // 1可写ev.events | EPOLLOUT;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd1, ev);ev.data.fd fd2;ev.events 0;if (fsm21.state STATE_R) // 2可读ev.events | EPOLLIN;if (fsm12.state STATE_W) // 2可写ev.events | EPOLLOUT;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd2, ev);// 监视if (fsm12.state STATE_AUTO || fsm21.state STATE_AUTO) {while (epoll_wait(epfd, ev, 1, -1) 0) {if (errno EINTR)continue;perror(poll());exit(1);}}// 查看监视结果if (ev.data.fd fd1 ev.events EPOLLIN ||ev.data.fd fd2 ev.events EPOLLOUT ||fsm12.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm12);}if (ev.data.fd fd2 ev.events EPOLLIN ||ev.data.fd fd1 ev.events EPOLLOUT ||fsm21.state STATE_AUTO) {fsm_driver(fsm21);}}// 恢复原来的文件描述符状态fcntl(fd1, F_SETFL, old_fd1);fcntl(fd2, F_SETFL, old_fd2);close(epfd);
}在这个示例中我们使用 epoll 来监视两个文件描述符 fd1 和 fd2。我们首先使用 epoll_create 创建一个 epoll 实例然后使用 epoll_ctl 添加这两个文件描述符。
在主循环中我们根据状态机的当前状态来更新 epoll 实例中文件描述符的事件监听。然后我们使用 epoll_wait 来等待文件描述符上的事件。当有事件发生时我们根据事件更新状态机并处理相应的读写操作。
最后当状态机达到退出状态时我们关闭 epoll 实例并恢复文件描述符到非阻塞状态。
这个例子展示了如何使用 epoll 来实现非阻塞的 I/O 操作适用于处理多个文件描述符的场景。
