课程内容

理解两者的真正含义及区别，能回答以上问题

两者的字面意思

上班

• 阻塞：上班时堵车了，等或者使用其他方法，总之要去上班
• 非阻塞：上班堵车了，直接不去了

老妈让买酱油

• 阻塞：没有酱油了，问妈要不换别的，或者换别的买
• 非阻塞：没有酱油了，不买了

让小明写报告

• 阻塞：小明写的时候，等他写完
• 非阻塞：不用干等小明写，之后再告知结果 [自己问小明-同步 / 小明主动告诉我-异步]

烧开水

• 阻塞：烧开水的过程中，你不能干其他事情，只能站那等水开
• 非阻塞：烧开水的过程中，你可以干其他事情，比如去客厅看看电视
• 参考同步异步、阻塞非阻塞极简解释——CSDN

引入

• 回顾open函数中的O_NONBLOCK
  • 
  • 一切皆文件，所以一切都可以阻塞/非阻塞
• 分析写文件的过程
  • 打开→write→关闭
  • 其中，write属于系统调用，具体过程如下
    • 数据→内核→磁盘：内核拷贝数据，放在缓冲区 [块缓冲]，清刷缓冲时，调度IO设备，找到inode和block，将数据写入磁盘
      • 第一步数据→内核是用户态，第二步内核→磁盘是内核态，存在转换
      • 
      • 参考怎样去理解Linux用户态和内核态？——知乎
    • NON_BLOCK设置的是用户态 [数据→内核 或者 内核→数据] 的过程
      • 大部分的阻塞是在从内核拿数据出来
    • 内核→磁盘的过程实际是阻塞的
      • 为了方便上层应用快速返回写的状态，内核将数据写到磁盘的过程，普通用户不需要感知
      • 内核拷贝完数据，程序返回，普通用户就认为写成功了，但数据很有可能还在缓冲区 [缓冲IO]

fcntl

操作文件描述符 [可以将文件变成非阻塞的]

• man fcntl
• 原型
  • 
  • fd：文件描述符。最常见的文件描述符：0、1、2
  • cmd：操作方式
  • ... /* arg */
    • 可变参数
    • arg，指示该参数是前面参数 [cmd] 的参数，其含义取决于cmd
• 描述
  • 
  • cmd在圆括号里指示是否有可变参数，最多一个
  • 可变参数类型一般是int，使用用宏定义，本质是位掩码，通过位运算改变状态
  • 其中有一类cmd：与【文件状态标志】相关
    • 
    • 即可获得或设置文件状态 [如O_NONBLOCK]
• 返回值
  • 
  • 观察返回值，考虑程序中的判断
  • 出错都是返回-1，设置操作成功都是返回0

select

同步I/O多路复用 [接口]

• man select
• 原型
  • 
  • nfds：文件描述符的数量
  • fd_set：文件描述符的集合
    • 可读、可写、异常
    • 底层是用数组是实现的
  • timeout：时间间隔
  • 四个宏用来操作集合，见后
• 描述
  • 
  • 允许程序去监控多个文件描述符，等待一个或多个文件描述符的I/O操作"ready"的情况
    • ready：就绪，可以对文件进行相应的IO操作，如没有阻塞的读，或足够小的写
  • 可监控的文件描述符数量小于FD_SETSIZE [一般为1024]
  • 
  • 退出的时候，每个文件描述符集合会被修改，只留下状态发生变化的文件描述符，起指示作用
    • 所以，如果循环使用select，每次调用select前需要重新初始化每个集合
  • 集合可以是NULL，说明该类事件中没有文件被监控
  • 宏用来操作集合
    • FD_ZERO：清空一个集合
    • FD_SET：向一个集合添加一个文件描述符
    • FD_CLR：从一个集合移除一个文件描述符
    • FD_ISSET：判断一个文件描述符的所属集合，可用于select返回后，因为集合已被修改
  • nfds的值是三个集合中数字最大的文件描述符加一
    • 文件描述符的索引是从0开始的
  • 
  • struct timeval timeout
    • 指定select阻塞着等待每个文件描述符就绪的时间间隔
      • 这里阻塞的含义就是单纯的阻塞，不是阻塞I/O的阻塞
      • [个人理解] 同步I/O的多路复用的同步就体现在这
    • 三种停止阻塞的情况
      • 一个文件描述符就绪
      • 信号中断 [kill]
      • 超时
    • 时间间隔不是精确的，很难做到真正的精确
      • 系统时钟粒度、内核调度延迟
    • timeval结构体中有两个成员：秒、微秒
      • 如果两者都为0，就会立即返回，可用于轮询 [polling]
      • 如果为NULL，就会无期限等待
    • 
    • timeout更新功能只在Linux上生效
    • 为了兼容性，尽量别用，尽量使用比较公共的功能
• 返回值
  • 
  • 返回此时所有集合中文件描述符 [ready] 数量
    • 根据数量，再通过宏定义FD_ISSET询问所有文件描述符的所在集合，来感知状态变化
    • 0：时间过完了，也没有感兴趣的事件发生
    • -1：error，并设置errno；此时集合不会改变，timeout变成未定义的了

[PS]

• select → poll → epoll，越来越高级
  • man poll
  • man epoll
  • 均与select做的任务相似

代码演示

实现使文件非阻塞和阻塞的接口

• common.h
  • 
  • 两个接口
• head.h
  • 
  • 头文件的顺序是有讲究的，一般把自己本项目的头文件放后面
  • 
  • 参考#include 的路径及顺序——Google C++编程风格
• common.c
  • 
  • 设置flag时不能改变原有的flag
  • 👉先get，再通过位或 / 位与来添加 / 删除flag

非阻塞的0号文件

• 
• 常用文件0、1、2不用手动打开
  • 创建进程时自动打开这三个文件
  • 它们是继承过来的
• 编译命令：gcc 1.test.c ../common/common.c  -I ../common/
  • 编译记得添加common.c文件
• 0号文件设置成非阻塞后，关键变化在于0号文件的读写变成了非阻塞的
  • ① 没有sleep
    • 
    • scanf就是读0号文件
    • 但没有数据，直接走，不会阻塞着等0号文件有数据
  • ② 有sleep
    • 
    • 在sleep的5秒里，在终端输入数据 [+回车，行缓冲]
      • 进程暂停，不占用CPU
      • 但标准输入流仍然打开着，用户在终端输入的数据会由内核传给0号文件
        • 文件是内核维护的，sleep的过程内核可以给文件写数据
    • 在sleep结束后，scanf读走0号文件的数据
  • 【明确】非阻塞是指某个对象，比如0号文件；而不是某个函数、某个操作
• [PS]
  • 阻塞：可能浪费时间
  • 非阻塞：可能浪费资源
    • 一般用于大型的程序、高并发服务器

对0号文件的select

• 拷贝自man手册——man select里的EXAMPLE
• 
• select可以感知到I/O的到来
• 运行效果
  • 
  • 终端输入ls，程序结束后还会执行ls
  • 因为缓冲区的内容没有被取走 [如scanf]，最终被zsh接走了
• select在这监控的时间间隔里发生了阻塞
  • 在所有的用户层面的程序里面，所谓的阻塞就是睡觉 [sleep()]
  • 阻塞终止条件：ready、signal中断、超时
• [延伸应用]
  • 给阻塞的地方设置一个定时，超时则使用默认值
    • 避免异常情况阻塞过久 [SSH主机不可达...]
    • 更人性化

附加知识点

• I/O感知的方式可以有很多种，其中内核完全知道IO的到来

思考点

• scanf的时候，在终端输入了回车，是将数据放入了缓冲区，还是清空缓冲区给了scanf呢？
  • 一文带你读懂C/C++语言输入输出流与缓存区
  • 是前者

Tips

• 课程预告：多进程 [fork...]
• 可以考虑cp的实现
  • 考察文件的读写操作
  • 必须阻塞