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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 sigac tion() 来完成：

intsigaction(intsignum,conststructsigaction*act,structsigaction*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：

staticvolatilesig_atomic_tgotSigio=0; staticvoidhandler(intsig) { gotSigio=1; }

主程序：

intmain(intargc,char*argv[]) { intflags,j,cnt; structtermios origTermios; charch; structsigactionsa; intdone; /*Establishhandler*/ sigemptyset(&sa.sa_mask); sa.sa_flags=SA_RESTART; sa.sa_handler=handler; if(sigaction(SIGIO,&sa,NULL)==-1){ perror("sigaction() "); exit(1); } /*Setownerprocess*/ if(fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid())==-1){ perror("fcntl()/F_SETOWN "); exit(1); } /*Enable"I/Opossible"signalingandmakeI/Ononblocking*/ 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; /*Readallavailableinputuntilerror(probablyEAGAIN) orEOF*/ while(read(STDIN_FILENO,&ch,1)>0&&!done){ printf("cnt=%d;read%c ",cnt,ch); done=ch=='#'; } } } exit(0); }

运行效果：

./build/sigio a cnt=0;reada cnt=0;read abc cnt=4;reada cnt=4;readb cnt=4;readc 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。