本文转载自微信公众号「嵌入式Hacker」，作者嵌入式Hacker。转载本文请联系嵌入式Hacker公众号。
一、Linux 的 5 种 IO 模型
二、如何使用信号驱动式 I/O?
三、内核何时会发送 "IO 就绪" 信号?
四、最简单的示例
五、扩展知识
一、Linux 的 5 种 IO 模型
阻塞式 I/O：
系统调用可能因为无法立即完成而被操作系统挂起，直到等待的事件发生为止。
非阻塞式 I/O (O_NONBLOCK)：
系统调用则总是立即返回，而不管事件是否已经发生。
I/O 复用 (select、poll、epoll)：
通过 I/O 复用函数向内核注册一组事件，内核通过 I/O 复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序。
信号驱动式 I/O (SIGIO)：
为一个目标文件描述符指定宿主进程，当文件描述符上有事件发生时，SIGIO 的信号处理函数将被触发，然后便可对目标文件描述符执行 I/O 操作。
异步 I/O (POSIX 的 aio_ 系列函数)：
异步 I/O 的读写操作总是立即返回，而不论 I/O 是否是阻塞的，真正的读写操作由内核接管。
思考一下，什么时候应该选择何种 I/O 模型?为何要这么选择?
下面重点关注信号驱动式 I/O 这一模型，其他模型可查阅文末参考书籍。
二、如何使用信号驱动式 I/O?
一般通过如下 6 个步骤来使用信号驱动式 I/O 模型。
1> 为通知信号安装处理函数。
通过 sigaction() 来完成：
- int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
默认情况下，这个通知信号为 SIGIO。
2> 为文件描述符的设置属主。
通过 fcntl() 的 F_SETOWN 操作来完成：
- fcntl(fd, F_SETOWN, pid)
属主是当文件描述符上可执行 I/O 时，会接收到通知信号的进程或进程组。
pid 为正整数时，代表了进程 ID 号。
pid 为负整数时，它的绝对值就代表了进程组 ID 号。
3> 使能非阻塞 I/O。
通过 fcntl() 的 F_SETFL 操作来完成：
- flags = fcntl(fd, F_GETFL);
- fcntl(fd, Ｆ_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
4> 使能信号驱动 I/O。
通过 fcntl() 的 F_SETFL 操作来完成：
- flags = fcntl(fd, F_GETFL);
- fcntl(fd, Ｆ_SETFL, flags | O_ASYNC);
5> 进程等待 "IO 就绪" 信号的到来。
当 I/O 操作就绪时，内核会给进程发送一个信号，然后调用在第 1 步中安装好的信号处理函数。
6> 进程尽可能多地执行 I/O 操作。
循环执行 I/O 系统调用直到失败为止，此时错误码为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
原因：
信号驱动 I/O 提供的是边缘触发通知，即只有当 I/O 事件发生时我们才会收到通知，
且当文件描述符收到 I/O 事件通知时，并不知道要处理多少 I/O 数据。
三、内核何时会发送 "IO 就绪" 信号?
对于不同类型的文件描述符，情况不一样。
1> 终端
对于终端，当有新的输入时会会产生信号。
2> 管道和 FIFO
对于读端，下列情况会产生信号：
- 数据写入到管道中;
- 管道的写端关闭;
对于写端，下列情况会产生信号：
- 对管道的读操作增加了管道中的空余空间大小。
- 管道的读端关闭;
3> 套接字
对于 UDP 套接字，下列情况会产生信号：
- 数据报到达套接字;
- 套接字上发生异步错误;
对于 TCP 套接字，信号驱动式 I/O 近乎无用。
太多情况都会产生信号，而我们又无法得知事件类型，因此这里就不再列举其产生信号的情况。
四、最简单的示例
信号处理函数：
- 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);
- }
运行效果：
- ./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 #
该程序会先使能信号驱动 IO，然后循环执行计数操作。
当有 IO 就绪信号到来时，会去终端读取数据并打印出来，然后继续执行计数操作。
五、扩展知识
I/O 多路复用 、信号驱动 I/O 以及 epoll 机制可用于监视多个文件描述符。
它们并不实际执行 I/O 操作，当某个文件描述符处于就绪态，仍需采用传统的 I/O 系统调用来完成 I/O 操作。
相比 I/O 多路复用，当监视大量的文件描述符时信号驱动 I/O 有着显著的性能优势，原因是内核能够帮进程记录了正在监视的文件描述符列表。
信号驱动 I/O 的缺点:
- 信号的处理流程较为复杂;
- 无法指定需要监控的事件类型。
Linux 特有的 epoll 是一个更好的选择。
六、相关参考
UNIX 网络编程卷1
- 6.2 I/O模型
- 25 信号驱动式I/O
Linux-UNIX 系统编程手册
- 63 其他备选的I/O模型
Linux 高性能服务器编程
- 8.3 I/O 模型
Linux 多线程服务端编程_使用muduo C++网络库
- 7.4.1 muduo的IO模型
