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3.7 非阻塞I/O
2012-12-19 15:11:46     我来说两句 
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本书遵循最新的统一UNIX规范版本4,以Linux为平台,系统地讲述了UNIX API各种函数的编程方法。本书内容包括UNIX的发展历程与标准、标准I/O和低级I/O、文件与目录操作、进程环境与进程控制、信号处理、时间与定时...  立即去当当网订购

前面几节已介绍了完成各种I/O的系统调用,如read()、write()、open()等,这些系统调用在默认情形下均是阻塞的,也就是说,调用必须等待操作完成,即读写到数据,才能返回。但在有些应用中往往还有需要非阻塞I/O的情形。本节我们讨论使得这些调用成为非阻塞的方法。

UNIX系统调用根据阻塞还是非阻塞分为两类:一类是所谓的“慢”系统调用,其他的则归为另一类。慢系统调用是以下有可能被永久阻塞的调用:

调用read()读管道、终端设备或网络设备文件时,如果数据不出现则可能永久阻塞调用者;调用write()写同样的文件,如果数据不能立即被接收也可能永久阻塞调用者。

打开一个文件将阻塞直至出现某种条件。例如,打开一个终端设备将等待相连的调制解调器回应;打开一个只写的FIFO,但没有其他进程打开它用于读。

读写一个具有强制锁(10.1节)的文件。

某些ioctl()操作。

某些进程间通信函数(参见第11章)。

默认情况下,关于I/O的系统调用总是阻塞的,调用必须等待操作完成,即读写到数据才能返回。但是慢系统调用并不包括所有阻塞I/O,这里包括的只是可能永久阻塞的系统调用。例如,磁盘I/O有关的系统调用就不是慢系统调用,尽管读写磁盘文件也可能临时阻塞调用者。

非阻塞I/O可以使得I/O操作如open()、read()或write()不会被永久阻塞,如果操作不能完成,这些调用将立即返回并给出错误码指明操作可能被阻塞。

对于给定的文件描述字,有两种方法指定非阻塞I/O:

1)在open()时指定O_NONBLOCK文件状态标志。

2)对已经打开的描述字,调用fcntl()函数设置O_NONBLOCK文件状态标志。

例3-7 在非阻塞I/O情况下传输数据,当读写不能立即完成时会返回–1并置errno为EAGAIN。这时,往往需要再次调用read()或write()。我们来看一个非阻塞I/O的程序例子,这个例子使用了程序3-6给出的函数set_nonblock_flag()来设置和清除O_NONBLOCK标志。

程序3-7 非阻塞I/O之例
#include "ch03.h"
#include "p3-6.c"
#define B_SIZE 100000
char buf[B_SIZE];
char fmt[] = "%d Hi :( -> :) ---aha!---";
int main(void)
{
   int nbytes=0, j=0, nwrite, ntimes = 1, success=0;
   char *ptr;
   if(set_nonblock_flag(STDOUT_FILENO, 1) < 0)     /* 设置无阻塞I/O */
      err_exit("set nonblock flag failed ");  
   while (nbytes+sizeof(fmt) < B_SIZE) {
      sprintf(&buf[nbytes],fmt,j++);
      nbytes += sizeof(fmt);
   }
   /* 将buf中的数据写至标准输出,直至全部写出 */
   for(ptr=buf; nbytes >0; ntimes++){
      errno = 0;
      nwrite = write(STDOUT_FILENO, ptr, nbytes);
      if(nwrite < 0){
         fprintf(stderr,"\n%d  nwrite=%d, error=%d ",ntimes,nwrite,errno);
         perror("");
      } else {
         fprintf(stderr,"\n%d  nwrite=%d, error=%d ",ntimes,nwrite,errno);
         ptr += nwrite;
         success++;
         nbytes -= nwrite;
      }
   }
   printf("success=%d\n",success);
   exit(0);
}

程序3-7以非阻塞方式将buf中的数据全部写到标准输出文件。因为是非阻塞方式,write()操作有可能由于阻塞而没有完成或者只写了一部分数据就返回。为了保证buf中的数据全部写至标准输出文件,我们将write()放置在一个循环内,并以写完nbytes字节作为循环终止条件。

执行这个程序时,若标准输出文件是磁盘文件,则只需一次write()便可写出全部数据:
%a.out>file
1 nwrite=99996, error=0
%ls 杔 file
-rw-r--r-- 1 zkj zkj 99996 Jun 22 21:15 l

但是,若标准输出文件是终端,则会多次调用write(),其中有一些写出部分数据,有一些则返回错误。这是因为当执行下一个write()时,终端还来不及显示完前面输出的数据而以EAGIN错误返回。
%a.out  2>output
... 显示大量写出的内容
--3702 Hi :( -> :) ---aha!---success=43
%cat output    
1  nwrite=4095, error=0
2  nwrite=4095, error=0
3  nwrite=2048, error=0
4  nwrite=-1, error=11 Resource temporarily unavailable
5  nwrite=4095, error=0
6  nwrite=-1, error=11 Resource temporarily unavailable
7  nwrite=2048, error=0
...  省略的输出
20  nwrite=2048, error=0
21  nwrite=-1, error=11 Resource temporarily unavailable
22  nwrite=2048, error=0
 ...  省略的输出
78  nwrite=1695, error=0
76  nwrite=-1, error=11 Resource temporarily unavailable
77  nwrite=-1, error=11 Resource temporarily unavailable
78  nwrite=1695, error=0

这次运行过程中调用了78次write(),其中只有43次成功写出了数据,其余为错误返回,错误码为11,代表资源暂时不能满足导致操作受阻。由于程序使用了循环在所写出的字节数不满足时反复调用write(),从而使得buf中的内容最终被全部写出。

程序3-7的这类循环称为“轮询”,它存在两个问题:在多用户系统中它浪费了不少CPU时间,本来这些用于等待的CPU时间可以做其他事情或者让给其他进程。另外,它仍然没有避免永久阻塞的问题,虽然write()能立即返回,但它可能由于总是不能写出数据而导致出现死循环。为了避免死循环,我们必须设置一定的时间限制,以便时间到时能跳出循环。在10.3节介绍多路I/O时,我们可以看到解决这个问题更有效的方法。

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