《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Linux教學(xué)—— 3 分鐘快速了解信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 IO

2022-08-12
來(lái)源:FPGA之家
關(guān)鍵詞: Linux 驅(qū)動(dòng)式IO

  以下是正文:

  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(wú)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。

微信圖片_20220812143203.png

  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。

微信圖片_20220812143228.png

  I/O 復(fù)用 (select、poll、epoll):

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

微信圖片_20220812143308.png

  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。

  微信圖片_20220812143329.png

  異步 I/O (POSIX 的 aio_ 系列函數(shù)):

  異步 I/O 的讀寫(xiě)操作總是立即返回,而不論 I/O 是否是阻塞的,真正的讀寫(xiě)操作由內(nèi)核接管。

  微信圖片_20220812143450.png

  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(shū)籍。

  二、如何使用信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O?

  一般通過(guò)如下 6 個(gè)步驟來(lái)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(guò) sigaction() 來(lái)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(guò) fcntl() 的 F_SETOWN 操作來(lái)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(guò) fcntl() 的 F_SETFL 操作來(lái)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(guò) fcntl() 的 F_SETFL 操作來(lái)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(lái)。

  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(lèi)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(xiě)入到管道中;管道的寫(xiě)端關(guān)閉;

  對(duì)于寫(xiě)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(wú)用。

  太多情況都會(huì)產(chǎn)生信號(hào),而我們又無(wú)法得知事件類(lèi)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()\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(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(lái)時(shí),會(huì)去終端讀取數(shù)據(jù)并打印出來(lái),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(lái)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(wú)法指定需要監(jiān)控的事件類(lèi)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(kù)

  7.4.1 muduo的IO模型

  更多信息可以來(lái)這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<

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