Unix环境高级编程(十五)高级I/O

1、非阻塞I/O

对低速设备的I/O操作可能会使进程永久阻塞，这类系统调用主要有如下情况：
（1）如果数据并不存在，则读文件可能会使调用者永远阻塞（例如读管道、终端设备和网络设备）。
（2）如果数据不能立即被接受，则写这些同样的文件也会使调用者永远阻塞；
（3）在某些条件发生之前，打开文件会被阻塞（例如以只写方式打开一个FIFO，那么在没有其他进程已用读方式打开该FIFO时）；
（4）对已经加上强制性锁的文件进行读、写；
（5）某些ioctl操作；
（6）某些进程间通信函数；

非阻塞I/O调用open、read和write等I/O操作函数使上述的慢速系统调用在不能立即完成的情况下，立即出错返回。

对一个给定的描述符有两种方法设置其为非阻塞：
（1）如果是调用open以获得该描述符，则可指定O_NONBLOCK标志；
（2）对于已经打开的一个描述符，则可调用fcntl打开O_NONBLOCK文件状态标志（注意：设置文件状态标志的方法）。

写个非阻塞I/O的程序，程序功能是从标准输入读入100 000字节，并试图将它们写到标准输出上。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <errno.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7
 8 char buf[100000];
 9 //将描述符设置为阻塞状态
10 void set_fl(int fd,int flags)
11 {
12     int val;
13     val = fcntl(fd,F_GETFL,0);  //获取描述符
14     val |= flags;   //添加状态
15     fcntl(fd,F_SETFL,val);  //设置描述符
16 }
17 void clr_fl(int fd,int flags)
18 {
19     int val;
20     val = fcntl(fd,F_GETFL,0);
21     val &= ~flags;   // 取消状态
22     fcntl(fd,F_SETFL,val);
23 }
24 int main()
25 {
26     int ntowrite,nwrite;
27     char *ptr;
28     ntowrite = read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));
29     fprintf(stderr,"read %d bytes\n",ntowrite);
30     set_fl(STDOUT_FILENO,O_NONBLOCK); //设置为阻塞状态
31     ptr = buf;
32     while(ntowrite > 0)
33     {
34         errno = 0;
35         nwrite = write(STDOUT_FILENO,ptr,ntowrite);
36         fprintf(stderr,"nwrite = %d,errno =%d\n",nwrite,errno);
37         if(nwrite > 0)
38         {
39             ptr += nwrite;
40             ntowrite -= nwrite;
41         }
42     }
43     clr_fl(STDOUT_FILENO,O_NONBLOCK); //设置为非阻塞状态
44     exit(0);
45 }

程序执行结果如下：若标准输出是普通文件，则可以期望write只执行一次。

若标识输出是终端，则期望write有时会返回小于100000的一个数字，有时会出错返回。按照下面要求执行，结果如图所示：

anker@killer-anker:~/Programs$ ./nonblock </lib/ld-linux.so.2 2> temp.file
anker@killer-anker:~/Programs$ cat temp.file

程序发出很多write操作，只有几个是正确输出数据的，其余的则出错返回。这种方式叫做轮询，在多用法系统上面浪费了CPU时间。

2、记录锁

　　记录锁的功能是：一个进程正在读或修改文件的某个部分时，可以阻止其他进程修改同一文件区。对于UNIX，实际上，由于内核没有“记录”的概念，因此，“记录锁”实际上是“区域锁”。

fcntl记录锁：int fcntl(int fd, int cmd, ……/* struct flock *flockptr */);对于记录锁，cmd是F_GETLK，f_SETLK,或F_SETLKW。第三个参数是一个指向flock结构的指针：

struct flock {
short l_type; /* F_RDLCK, F_WRLCK, or F_UNLCK */
off_t l_start;
short l_whence;
off_t l_len;
pid_t l_pid;
}

　　关于加锁和解锁区域需要注意以下几点：该区域可以在当前文件尾端处开始或越过其尾端处开始，但不能在文件起始位置之前或越过该起始位置；若l_len为0，则表示锁的区域从其起点开始，直至最大可能位置为止。

　　两种锁：共享读锁（L_RDLCK）和独占写锁（L_WRLCK）的基本规则是，多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享的读锁。但是在一个给定字节上的写锁则只能由一个进程独用。加读锁时，该描述符必须是读打开；加写锁时，该描述符必须是写打开的。

不同类型锁之间的兼容性如下：

	读锁	写锁
无锁	允许	允许
一把或多把读锁	允许	拒绝
一把写锁	拒绝	拒绝

关于记录锁的自动继承和释放有三条规则：

（1）锁与进程、文件两方面有关：第一，当一个进程终止时，它锁建立的锁全部释放；第二，任何时候关闭一个描述符，则该进程通过这一描述符可以访问的文件上的任何一把锁都被释放。

（2）由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。

（3）在执行exec后，新程序可以继承原执行程序的锁。

3、I/O多路转接

　　其基本思想是：先构造一张有关描述符的表，然后调用一个函数，它要到这些描述符中的一个已准备好进行I/O时才返回。在返回时，它告诉进程哪一个描述符已准备好。select、pselect和poll函数能执行I/O多路转接。函数原型如下：

int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, struct timeval *timeout);返回准备就绪的描述符数，超时则为0，出错为-1

参数timeout指定内核等待的时间，其结构如下：

struct timeval {

long tv_sec; /* seconds */

long tv_usec; /* microseconds */

}

传给select的参数告诉内核：我们所关心的描述符；对于每个描述符我们所关心的条件；希望等待多长时间。

从select返回时，内核告诉我们：已准备好的描述符数量；哪一个描述符已准备好读、写或异常条件。

写个程序练习select函数，每隔5秒进行读取操作，程序如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <errno.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <sys/select.h>
 7
 8 int main()
 9 {
10     fd_set rfds;
11     struct timeval tv;
12     int retval;
13     char buf[1024];
14     for(;;)
15     {
16         FD_ZERO(&rfds);
17         FD_SET(STDIN_FILENO, &rfds);
18         /* Wait up to five seconds. */
19         tv.tv_sec = 5;
20         tv.tv_usec = 0;
21         retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
22         /* Don't rely on the value of tv now! */
23         if (retval)
24         {
25             printf("Data is available now.\n");
26             if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rfds))
27             {
28                 read(STDIN_FILENO,buf,1024);
29                 printf("Read buf is: %s\n",buf);
30             }
31         }
32         else
33             printf("No data within five seconds.\n");
34     }
35     exit(0);
36 }

程序执行结果如下：

int pselect (int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set * writeset, fd_set * exceptset, const struct timespec * timeout, const sigset_t *sigmask);

返回：准备好的描述字个数，0－超时，－1－出错。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {

int fd; /* file descriptor */

short events; /* requested events */

short revents; /* returned events */

};

关于I/O多路转接将会在Unix网络编程中详细学习，在本章主要是了解这思想。

 4、异步I/O

　　SVR4和4.3+BSD提供了使用一个信号（在SVR4中是SIGPOLL,在4.3+BSD中是SIGIO）的异步I/O方法，该信号通知进程，对某个描述符所关心的某个事件已经发生。异步I/O的一个限制是每个进程只有一个信号。

5、readv和writev函数

头文件：#include <sys/uio.h>
函数原形：     ssize_t readv(int filedes,const struct iovec *iov,int iovcnt);
                　ssize_t writev(int filedes,const struct iovec *iov,int iovcnt);
参数：filedes     文件描述符
         iov         指向iovec结构数组的一个指针。
         iovcnt     数组元素的个数
返回值：若成功则返回已读、写的字节数，若出错则返回-1

struct iovec {

　　void *iov_base; /* 起始地址 */

　　size_t iov_len; /* 需要传输的字节数 */

};

readv() 系统调用从文件描述符 fd 关联的文件里读取数据到 iovcnt 个由 iov 结果描述的缓存区里。(分散读)

writev() 系统调用把 iovcnt 个由 iov 结构描述的缓存区数据写入文件描述符 fd 关联的文件里。(聚合写)

写个程序从标准输入读取数据存放到多个缓冲区中，然后从标准输出显示结果，程序如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <errno.h>
 5 #include <sys/uio.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8
 9 int main(int argc,char *argv[])
10 {
11     int fd1,fd2;
12     char *buf1 = malloc(10);
13     char *buf2 = malloc(1024);
14     struct iovec iov[2];
15     memset(buf1,0,11);
16     memset(buf2,0,1025);
17     ssize_t nwritten;
18     iov[0].iov_base = buf1;
19     iov[0].iov_len = 10;
20     iov[1].iov_base = buf2;
21     iov[1].iov_len = 1024;
22     readv(STDIN_FILENO,iov,2);
23     printf("call readv:\n");
24     printf("buf1 is: %s\tlength is: %d\n",buf1,strlen(buf1));
25     printf("buf2 is: %s\tlength is: %d\n",buf2,strlen(buf2));
26     printf("call writev:\n");
27     iov[0].iov_base = buf1;
28     iov[0].iov_len = strlen(buf1);
29     iov[1].iov_base = buf2;
30     iov[1].iov_len = strlen(buf2);
31     nwritten = writev(STDOUT_FILENO, iov, 2);
32     free(buf1);
33     free(buf2);
34     exit(0);
35 }

程序结果如下：