Linux-C 編程 | 3 分鐘快速了解信號驅動式 IO
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一、Linux 的 5 種 IO 模型
二、如何使用信號驅動式 I/O?
三、內核何時會發送 "IO 就緒" 信號?
四、最簡單的示例
五、擴展知識
一、Linux 的 5 種 IO 模型
阻塞式 I/O：
系統調用可能因為無法立即完成而被操作系統掛起，直到等待的事件發生為止。
非阻塞式 I/O (O_NONBLOCK)：
系統調用則總是立即返回，而不管事件是否已經發生。
I/O 復用 (select、poll、epoll)：
通過 I/O 復用函數向內核注冊一組事件，內核通過 I/O 復用函數把其中就緒的事件通知給應用程序。
信號驅動式 I/O (SIGIO)：
為一個目標文件描述符指定宿主進程，當文件描述符上有事件發生時，SIGIO 的信號處理函數將被觸發，然后便可對目標文件描述符執行 I/O 操作。
異步 I/O (POSIX 的 aio_ 系列函數)：
異步 I/O 的讀寫操作總是立即返回，而不論 I/O 是否是阻塞的，真正的讀寫操作由內核接管。
思考一下，什么時候應該選擇何種 I/O 模型?為何要這么選擇?
下面重點關注信號驅動式 I/O 這一模型，其他模型可查閱文末參考書籍。
二、如何使用信號驅動式 I/O?
一般通過如下 6 個步驟來使用信號驅動式 I/O 模型。
1> 為通知信號安裝處理函數。
通過 sigaction() 來完成：
- int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
默認情況下，這個通知信號為 SIGIO。
2> 為文件描述符的設置屬主。
通過 fcntl() 的 F_SETOWN 操作來完成：
- fcntl(fd, F_SETOWN, pid)
屬主是當文件描述符上可執行 I/O 時，會接收到通知信號的進程或進程組。
pid 為正整數時，代表了進程 ID 號。
pid 為負整數時，它的絕對值就代表了進程組 ID 號。
3> 使能非阻塞 I/O。
通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：
- flags = fcntl(fd, F_GETFL);
- fcntl(fd, Ｆ_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
4> 使能信號驅動 I/O。
通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成：
- flags = fcntl(fd, F_GETFL);
- fcntl(fd, Ｆ_SETFL, flags | O_ASYNC);
5> 進程等待 "IO 就緒" 信號的到來。
當 I/O 操作就緒時，內核會給進程發送一個信號，然后調用在第 1 步中安裝好的信號處理函數。
6> 進程盡可能多地執行 I/O 操作。
循環執行 I/O 系統調用直到失敗為止，此時錯誤碼為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
原因：
信號驅動 I/O 提供的是邊緣觸發通知，即只有當 I/O 事件發生時我們才會收到通知，
且當文件描述符收到 I/O 事件通知時，并不知道要處理多少 I/O 數據。
三、內核何時會發送 "IO 就緒" 信號?
對于不同類型的文件描述符，情況不一樣。
1> 終端
對于終端，當有新的輸入時會會產生信號。
2> 管道和 FIFO
對于讀端，下列情況會產生信號：
- 數據寫入到管道中;
- 管道的寫端關閉;
對于寫端，下列情況會產生信號：
- 對管道的讀操作增加了管道中的空余空間大小。
- 管道的讀端關閉;
3> 套接字
對于 UDP 套接字，下列情況會產生信號：
- 數據報到達套接字;
- 套接字上發生異步錯誤;
對于 TCP 套接字，信號驅動式 I/O 近乎無用。
太多情況都會產生信號，而我們又無法得知事件類型，因此這里就不再列舉其產生信號的情況。
四、最簡單的示例
信號處理函數：
- static volatile sig_atomic_t gotSigio = 0;
- static void handler(int sig)
- {
- gotSigio = 1;
- }
主程序：
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int flags, j, cnt;
- struct termios origTermios;
- char ch;
- struct sigaction sa;
- int done;
- /* Establish handler */
- sigemptyset(&sa.sa_mask);
- sa.sa_flags = SA_RESTART;
- sa.sa_handler = handler;
- if (sigaction(SIGIO, &sa, NULL) == -1) {
- perror("sigaction()\n");
- exit(1);
- }
- /* Set owner process */
- if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid()) == -1) {
- perror("fcntl() / F_SETOWN\n");
- exit(1);
- }
- /* Enable "I/O possible" signaling and make I/O nonblocking */
- flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
- if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_ASYNC | O_NONBLOCK) == -1) {
- perror("fcntl() / F_SETFL\n");
- exit(1);
- }
- for (done = 0, cnt = 0; !done ; cnt++) {
- sleep(1);
- if (gotSigio) {
- gotSigio = 0;
- /* Read all available input until error (probably EAGAIN)
- or EOF */
- while (read(STDIN_FILENO, &ch, 1) > 0 && !done) {
- printf("cnt=%d; read %c\n", cnt, ch);
- done = ch == '#';
- }
- }
- }
- exit(0);
- }
運行效果：
- ./build/sigio
- a
- cnt=0; read a
- cnt=0; read
- abc
- cnt=4; read a
- cnt=4; read b
- cnt=4; read c
- cnt=4; read
- #
- cnt=7; read #
該程序會先使能信號驅動 IO，然后循環執行計數操作。
當有 IO 就緒信號到來時，會去終端讀取數據并打印出來，然后繼續執行計數操作。
五、擴展知識
I/O 多路復用 、信號驅動 I/O 以及 epoll 機制可用于監視多個文件描述符。
它們并不實際執行 I/O 操作，當某個文件描述符處于就緒態，仍需采用傳統的 I/O 系統調用來完成 I/O 操作。
相比 I/O 多路復用，當監視大量的文件描述符時信號驅動 I/O 有著顯著的性能優勢，原因是內核能夠幫進程記錄了正在監視的文件描述符列表。
信號驅動 I/O 的缺點:
- 信號的處理流程較為復雜;
- 無法指定需要監控的事件類型。
Linux 特有的 epoll 是一個更好的選擇。
六、相關參考
UNIX 網絡編程卷1
- 6.2 I/O模型
- 25 信號驅動式I/O
Linux-UNIX 系統編程手冊
- 63 其他備選的I/O模型
Linux 高性能服務器編程
- 8.3 I/O 模型
Linux 多線程服務端編程_使用muduo C++網絡庫
- 7.4.1 muduo的IO模型
