Linux中如何使用信号驱动式I/O？

一、Linux 的 5 种 IO 模型

二、如何使用信号驱动式 I/O？

三、内核何时会发送 “IO 就绪” 信号？

四、最简单的示例

五、扩展知识

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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 sigaction（） 来完成：

int sigaction（int signum， const struct sigaction *act， struct sigaction *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：

static volatile sig_atomic_t gotSigio = 0; static void handler（int sig） { gotSigio = 1; }

主程序：

int main（int argc， char *argv［］） { int flags， j， cnt; struct termios origTermios; char ch; struct sigaction sa; int done; /* Establish handler */ sigemptyset（&sa.sa_mask）; sa.sa_flags = SA_RESTART; sa.sa_handler = handler; if （sigaction（SIGIO， &sa， NULL） == -1） { perror（“sigaction（） ”）; exit（1）; } /* Set owner process */ if （fcntl（STDIN_FILENO， F_SETOWN， getpid（）） == -1） { perror（“fcntl（） / F_SETOWN ”）; exit（1）; } /* Enable “I/O possible” signaling and make I/O nonblocking */ 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; /* Read all available input until error （probably EAGAIN） or EOF */ 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; read a cnt=0; read abc cnt=4; read a cnt=4; read b cnt=4; read c 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。

六、相关参考

UNIX 网络编程卷1

6.2 I/O模型

25 信号驱动式I/O

Linux-UNIX 系统编程手册

63 其他备选的I/O模型

Linux 高性能服务器编程

8.3 I/O 模型

Linux 多线程服务端编程_使用muduo C++网络库

原文标题：Linux-C 编程 | 3 分钟快速了解信号驱动式 IO

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责任编辑：haq