read/write擁塞與非擁塞

 read/write 

read 函數從打開的設備或文件中讀取數據。

#include <unistd.h>  ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 返回值：成功返回讀取的字節數，出錯返回-1並設置errno，若是在調read以前已到達文件末尾，則此次read返回0

參數count是請求讀取的字節數，讀上來的數據保存在緩衝區buf中，同時文件的當前讀寫位置向後移。注意這個讀寫位置和使用C標準I/O庫時的讀寫位置有可能不一樣，這個讀寫位置是記在內核中的，而使用C標準I/O庫時的讀寫位置是用戶空間I/O緩衝區中的位置。

 

fread就是經過read來實現的，fread是C語言的庫，而read是系統調用
可是差異在read每次讀的數據是調用者要求的大小，好比調用要求讀取10個字節數據，read就會讀10個字節數據到數組中，而fread不同，爲了加快讀的速度，fread每次都會讀比要求更多的數據，而後放到緩衝區中，這樣下次再讀數據只須要到緩衝區中去取就能夠了。

fread每次會讀取一個緩衝區大小的數據，32位下通常是4096個字節，至關於調用了read(fd,buf,4096)

好比須要讀取512個字節數據，分4次讀取，調用read就是：
for(i=0; i<4; ++i)
read(fd,buf,128)
一共有4次系統調用

而fread一次就讀取了4096字節放到緩衝區了，因此省事了

 

 

好比用 fgetc 讀一個字節， fgetc 有可能從內核中預讀1024個字節到I/O緩衝區中，再返回第一個字節，這時該文件在內核中記錄的讀寫位置是1024，而在 FILE 結構體中記錄的讀寫位置是1。注意返回值類型是 ssize_t ，表示有符號的 size_t ，這樣既能夠返回正的字節數、0（表示到達文件末尾）也能夠返回負值-1（表示出錯）。 read 函數返回時，返回值說明了 buf 中前多少個字節是剛讀上來的。有些狀況下，實際讀到的字節數（返回值）會小於請求讀的字節數 count ，例如：

• 讀常規文件時，在讀到count個字節以前已到達文件末尾。例如，距文件末尾還有30個字節而請求讀100個字節，則read返回30，下次read將返回0。

• 從終端設備讀，一般以行爲單位，讀到換行符就返回了。

• 從網絡讀，根據不一樣的傳輸層協議和內核緩存機制，返回值可能小於請求的字節數，後面socket編程部分會詳細講解。

write 函數向打開的設備或文件中寫數據。

#include <unistd.h>  ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 返回值：成功返回寫入的字節數，出錯返回-1並設置errno

寫常規文件時， write 的返回值一般等於請求寫的字節數 count ，而向終端設備或網絡寫則不必定。

讀常規文件是不會阻塞的，無論讀多少字節，read必定會在有限的時間內返回。從終端設備或網絡讀則不必定，若是從終端輸入的數據沒有換行符，調用read讀終端設備就會阻塞，若是網絡上沒有接收到數據包，調用read從網絡讀就會阻塞，至於會阻塞多長時間也是不肯定的，若是一直沒有數據到達就一直阻塞在那裏。一樣，寫常規文件是不會阻塞的，而向終端設備或網絡寫則不必定。

 

 

如今明確一下阻塞（Block） 這個概念。當進程調用一個阻塞的系統函數時，該進程被置於睡眠（Sleep） 狀態，這時內核調度其它進程運行，直到該進程等待的事件發生了（好比網絡上接收到數據包，或者調用 sleep 指定的睡眠時間到了）它纔有可能繼續運行。與睡眠狀態相對的是運行（Running） 狀態，在Linux內核中，處於運行狀態的進程分爲兩種狀況：

• 正在被調度執行。CPU處於該進程的上下文環境中，程序計數器（eip）裏保存着該進程的指令地址，通用寄存器裏保存着該進程運算過程的中間結果，正在執行該進程的指令，正在讀寫該進程的地址空間。

• 就緒狀態。該進程不須要等待什麼事件發生，隨時均可以執行，但CPU暫時還在執行另外一個進程，因此該進程在一個就緒隊列中等待被內核調度。系統中可能同時有多個就緒的進程，那麼該調度誰執行呢？內核的調度算法是基於優先級和時間片的，並且會根據每一個進程的運行狀況動態調整它的優先級和時間片，讓每一個進程都能比較公平地獲得機會執行，同時要兼顧用戶體驗，不能讓和用戶交互的進程響應太慢。

   

下面這個小程序從終端讀數據再寫回終端。

例 28.2. 阻塞讀終端

 

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main(void)
{
char buf[10];
int n;
 n = read(STDIN_FILENO, buf,10);
if(n <0){
  perror("read STDIN_FILENO");
exit(1);
}
 write(STDOUT_FILENO, buf, n);
return0;
}

執行結果以下：

$ ./a.out  hello（回車） hello $ ./a.out  hello world（回車） hello worl$ d bash: d: command not found

 

第一次執行a.out的結果很正常，而第二次執行的過程有點特殊，如今分析一下：

1. Shell進程建立a.out進程，a.out進程開始執行，而Shell進程睡眠等待a.out進程退出。

2. a.out調用read時睡眠等待，直到終端設備輸入了換行符才從read返回，read只讀走10個字符，剩下的字符仍然保存在內核的終端設備輸入緩衝區中。

3. a.out進程打印並退出，這時Shell進程恢復運行，Shell繼續從終端讀取用戶輸入的命令，因而讀走了終端設備輸入緩衝區中剩下的字符d和換行符，把它當成一條命令解釋執行，結果發現執行不了，沒有d這個命令。

    

若是在open一個設備時指定了O_NONBLOCK標誌，read/write就不會阻塞。以read爲例，若是設備暫時沒有數據可讀就返回-1，同時置errno爲EWOULDBLOCK（或者EAGAIN ，這兩個宏定義的值相同），表示原本應該阻塞在這裏（would block，虛擬語氣），事實上並無阻塞而是直接返回錯誤，調用者應該試着再讀一次（again）。這種行爲方式稱爲輪詢（Poll） ，調用者只是查詢一下，而不是阻塞在這裏死等，這樣能夠同時監視多個設備：

while(1) {  非阻塞read(設備1);  if(設備1有數據到達)   處理數據;  非阻塞read(設備2);  if(設備2有數據到達)   處理數據;  ... }

若是read(設備1)是阻塞的，那麼只要設備1沒有數據到達就會一直阻塞在設備1的read調用上，即便設備2有數據到達也不能處理，使用非阻塞I/O就能夠避免設備2得不到及時處理。

非阻塞I/O有一個缺點，若是全部設備都一直沒有數據到達，調用者須要反覆查詢作無用功，若是阻塞在那裏，操做系統能夠調度別的進程執行，就不會作無用功了。在使用非阻塞I/O時，一般不會在一個 while 循環中一直不停地查詢（這稱爲Tight Loop ），而是每延遲等待一下子來查詢一下，以避免作太多無用功，在延遲等待的時候能夠調度其它進程執行。

while(1) {  非阻塞read(設備1);  if(設備1有數據到達)   處理數據;  非阻塞read(設備2);  if(設備2有數據到達)   處理數據;  ...  sleep(n); }

這樣作的問題是，設備1有數據到達時可能不能及時處理，最長需延遲n秒才能處理，並且反覆查詢仍是作了不少無用功。之後要學習的 select(2) 函數能夠阻塞地同時監視多個設備，還能夠設定阻塞等待的超時時間，從而圓滿地解決了這個問題。

如下是一個非阻塞I/O的例子。目前咱們學過的可能引發阻塞的設備只有終端，因此咱們用終端來作這個實驗。程序開始執行時在0、一、2文件描述符上自動打開的文件就是終端，可是沒有 O_NONBLOCK 標誌。因此就像 例 28.2 「阻塞讀終端」 同樣，讀標準輸入是阻塞的。咱們能夠從新打開一遍設備文件 /dev/tty （表示當前終端），在打開時指定 O_NONBLOCK 標誌。

O_NONBLOCK 以不可阻斷的方式打開文件，也就是不管有無數據讀取或等待，都會當即返回進程之中。

例 28.3. 非阻塞讀終端

從終端設備或網絡讀則不必定，若是從終端輸入的數據沒有換行符，調用 read 讀終端設備就會阻塞

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define MSG_TRY "try again\n"

int main(void)
{
char buf[10];
int fd, n;
fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
if(fd<0) {
perror("open /dev/tty");
exit(1);
}
tryagain:
n = read(fd, buf, 10);
if (n < 0) {
if (errno == EAGAIN) {
sleep(1);
write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
goto tryagain;
} 
perror("read /dev/tty");
exit(1);
}
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(fd);
return 0;
}

直到按下回車把以前的輸入輸出（最多10個），而後中止。

 

如下是用非阻塞I/O實現等待超時的例子。既保證了超時退出的邏輯又保證了有數據到達時處理延遲較小。

例 28.4. 非阻塞讀終端和等待超時

read：既能夠返回正的字節數、0（表示到達文件末尾）也能夠返回負值-1（表示出錯）

 

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>

#define MSG_TRY "try again\n"
#define MSG_TIMEOUT "timeout\n"

int main(void)
{
char buf[10];
int fd, n, i;
 fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
if(fd<0){
  perror("open /dev/tty");
exit(1);
}
for(i=0; i<5; i++){
  n = read(fd, buf,10);
if(n>=0)
break;
if(errno!=EAGAIN){
   perror("read /dev/tty");
exit(1);
}
  sleep(1);
  write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
}
if(i==5)
  write(STDOUT_FILENO, MSG_TIMEOUT, strlen(MSG_TIMEOUT));
else
  write(STDOUT_FILENO, buf, n);
 close(fd);
return0;
}