Linux中如何使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O？

一、Linux 的 5 種 IO 模型

二、如何使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O？

三、內(nèi)核何時(shí)會(huì)發(fā)送 “IO 就緒” 信號(hào)？

四、最簡(jiǎn)單的示例

五、擴(kuò)展知識(shí)

一、Linux 的 5 種 IO 模型

阻塞式 I/O：

系統(tǒng)調(diào)用可能因?yàn)闊o法立即完成而被操作系統(tǒng)掛起，直到等待的事件發(fā)生為止。

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非阻塞式 I/O （O_NONBLOCK）：

系統(tǒng)調(diào)用則總是立即返回，而不管事件是否已經(jīng)發(fā)生。

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I/O 復(fù)用 （select、poll、epoll）：

通過 I/O 復(fù)用函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)一組事件，內(nèi)核通過 I/O 復(fù)用函數(shù)把其中就緒的事件通知給應(yīng)用程序。

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信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O （SIGIO）：

為一個(gè)目標(biāo)文件描述符指定宿主進(jìn)程，當(dāng)文件描述符上有事件發(fā)生時(shí)，SIGIO 的信號(hào)處理函數(shù)將被觸發(fā)，然后便可對(duì)目標(biāo)文件描述符執(zhí)行 I/O 操作。

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異步 I/O （POSIX 的 aio_ 系列函數(shù)）：

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(nèi)核接管。

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思考一下，什么時(shí)候應(yīng)該選擇何種 I/O 模型？為何要這么選擇？

下面重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O？

一般通過如下 6 個(gè)步驟來使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 模型。

1》 為通知信號(hào)安裝處理函數(shù)。

通過 sigaction（） 來完成：

int sigaction（int signum， const struct sigaction *act， struct sigaction *oldact）;

默認(rèn)情況下，這個(gè)通知信號(hào)為 SIGIO。

2》 為文件描述符的設(shè)置屬主。

通過 fcntl（） 的 F_SETOWN 操作來完成：

fcntl（fd， F_SETOWN， pid）

屬主是當(dāng)文件描述符上可執(zhí)行 I/O 時(shí)，會(huì)接收到通知信號(hào)的進(jìn)程或進(jìn)程組。

pid 為正整數(shù)時(shí)，代表了進(jìn)程 ID 號(hào)。

pid 為負(fù)整數(shù)時(shí)，它的絕對(duì)值就代表了進(jìn)程組 ID 號(hào)。

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(hào)驅(qū)動(dòng) 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(jìn)程等待 “IO 就緒” 信號(hào)的到來。

當(dāng) I/O 操作就緒時(shí)，內(nèi)核會(huì)給進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)，然后調(diào)用在第 1 步中安裝好的信號(hào)處理函數(shù)。

6》 進(jìn)程盡可能多地執(zhí)行 I/O 操作。

循環(huán)執(zhí)行 I/O 系統(tǒng)調(diào)用直到失敗為止，此時(shí)錯(cuò)誤碼為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

原因：

信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 提供的是邊緣觸發(fā)通知，即只有當(dāng) I/O 事件發(fā)生時(shí)我們才會(huì)收到通知，

且當(dāng)文件描述符收到 I/O 事件通知時(shí)，并不知道要處理多少 I/O 數(shù)據(jù)。

三、內(nèi)核何時(shí)會(huì)發(fā)送 “IO 就緒” 信號(hào)？

對(duì)于不同類型的文件描述符，情況不一樣。

1》 終端

對(duì)于終端，當(dāng)有新的輸入時(shí)會(huì)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。

2》 管道和 FIFO

對(duì)于讀端，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

數(shù)據(jù)寫入到管道中;

管道的寫端關(guān)閉;

對(duì)于寫端，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

對(duì)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(guān)閉;

3》 套接字

對(duì)于 UDP 套接字，下列情況會(huì)產(chǎn)生信號(hào)：

數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)套接字；

套接字上發(fā)生異步錯(cuò)誤;

對(duì)于 TCP 套接字，信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 近乎無用。

太多情況都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，而我們又無法得知事件類型，因此這里就不再列舉其產(chǎn)生信號(hào)的情況。

四、最簡(jiǎn)單的示例

信號(hào)處理函數(shù)：

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（） ”）; exit（1）; } /* Set owner process */ if （fcntl（STDIN_FILENO， F_SETOWN， getpid（）） == -1） { perror（“fcntl（） / F_SETOWN ”）; 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 ”）; 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 ”， cnt， ch）; done = ch == ‘#’; } } } exit（0）; }

運(yùn)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(huì)先使能信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO，然后循環(huán)執(zhí)行計(jì)數(shù)操作。

當(dāng)有 IO 就緒信號(hào)到來時(shí)，會(huì)去終端讀取數(shù)據(jù)并打印出來，然后繼續(xù)執(zhí)行計(jì)數(shù)操作。

五、擴(kuò)展知識(shí)

I/O 多路復(fù)用 、信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 以及 epoll 機(jī)制可用于監(jiān)視多個(gè)文件描述符。

它們并不實(shí)際執(zhí)行 I/O 操作，當(dāng)某個(gè)文件描述符處于就緒態(tài)，仍需采用傳統(tǒng)的 I/O 系統(tǒng)調(diào)用來完成 I/O 操作。

相比 I/O 多路復(fù)用，當(dāng)監(jiān)視大量的文件描述符時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 有著顯著的性能優(yōu)勢(shì)，原因是內(nèi)核能夠幫進(jìn)程記錄了正在監(jiān)視的文件描述符列表。

信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的缺點(diǎn)：

信號(hào)的處理流程較為復(fù)雜;

無法指定需要監(jiān)控的事件類型。

Linux 特有的 epoll 是一個(gè)更好的選擇。

六、相關(guān)參考

UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程卷1

6.2 I/O模型

25 信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O

Linux-UNIX 系統(tǒng)編程手冊(cè)

63 其他備選的I/O模型

Linux 高性能服務(wù)器編程

8.3 I/O 模型

Linux 多線程服務(wù)端編程_使用muduo C++網(wǎng)絡(luò)庫

原文標(biāo)題：Linux-C 編程 | 3 分鐘快速了解信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 IO

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