非阻塞 I/O | O_NONBLOCK

beyes

系统也可以分为：
低速系统 和 其他。

低速系统调用是可能会使进程永远阻塞的一类系统调用：

如果数据并不存在，则读文件可能会使调用者永远阻塞( 例如读管道，终端设备，网络设备 )
如果数据不能被立即接受，则写这些文件同样也会使调用者永远阻塞。
在某些条件发生之前，打开文件会被阻塞( 例如打开一个终端设备可能需要等到与之连接的调制解调器应答 )；又如，如果以只写的方式打开 FIFO，那么在没有其他进程已用读方式打开该 FIFO 时也要等待(因为，FIFO一直写会被写满，没有其他进程去读出数据，则 FIFO 不能再继续写)。
对已经加上强制性锁的文件进行读、写。
某些 iotcl 操作。
某些进程间通信函数。

虽然读、写磁盘文件会使调用在短暂时间内阻塞，但并不能将她们视为 “低速”。

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非阻塞 I/O 使我们可以调用不会永远阻塞的 I/O 操作，例如 open, read 和 write 。如果这种操作不能完成，则立即出错返回 ---表示该操作如继续执行将继续阻塞下去。

对于一个给定的描述符有两种方法对其指定非阻塞 I/O ：
(1) 如果是调用 open() 函数获得该描述符，则可调用 fcntl() 打开 O_NONBLOCK 文件状态标志。
(2) 对于已经打开的一个描述符，则可调用 fcntl() 打开 O_NONBLOCK 文件状态标志。

下面测试代码，将说明一个非阻塞 I/O 操作实例，它的作用是：
从标准输入读入 100 000 个字节，并试图将它们写到标准输出上。该程序先将标准输出设置为非阻塞的，然后用 for 循环进行输出，每次写的结果都在标准出错上打印。

代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

char buf[100000];
void set_fl(int fd, int flags);
void clr_fl(int fd, int flags);

int main(void)
{
    int ntowrite, nwrite;
    char *ptr;
    /*STDIN_FILENO 宏定义为 0,为标准输入*/
    ntowrite = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
    fprintf(stderr, "read %d bytes\n", ntowrite);

    set_fl(STDOUT_FILENO, O_NONBLOCK);    /*设置非阻塞*/
   
    for(ptr = buf; ntowrite > 0; ) {
        errno = 0;
        nwrite = write(STDOUT_FILENO, ptr, ntowrite);
        fprintf(stderr, "nwrite = %d, errno = %d\n", nwrite, errno);
        if (nwrite > 0) {
            ptr += nwrite;
            ntowrite -= nwrite;
        }
    }
    clr_fl(STDOUT_FILENO, O_NONBLOCK);    /*清除非阻塞*/

    exit(0);
}
/*设置 open 标志*/
void set_fl(int fd, int flags)
{
    int     val;
    if ( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
        perror("fcntli get");
   
    val |= flags;
   
    if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
        perror("fcntl set");
}

/*清除 open 标志*/
void clr_fl(int fd, int flags)
{
    int     val;
    if ( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
        perror("fcntl get");
   
    val &= ~flags;
   
    if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
        perror("fcntl set");
}

beyes

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#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

char buf[100000];
void set_fl(int fd, int flags);
void clr_fl(int fd, int flags);

int main(void)
{
    int ntowrite, nwrite;
    char *ptr;
    /*STDIN_FILENO 宏定义为 0,为标准输入*/
    ntowrite = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
    fprintf(stderr, "read %d bytes\\n", ntowrite);

    set_fl(STDOUT_FILENO, O_NONBLOCK);    /*设置非阻塞*/
    
    for(ptr = buf; ntowrite > 0; ) {
        errno = 0;
        nwrite = write(STDOUT_FILENO, ptr, ntowrite);
        fprintf(stderr, "nwrite = %d, errno = %d\\n", nwrite, errno);
        if (nwrite > 0) {
            ptr += nwrite;
            ntowrite -= nwrite;
        }
    }
    clr_fl(STDOUT_FILENO, O_NONBLOCK);    /*清除非阻塞*/

    exit(0);
}
/*设置 open 标志*/
void set_fl(int fd, int flags)
{
    int     val;
    if ( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
        perror("fcntli get");
    
    val |= flags;
    
    if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
        perror("fcntl set");
}

/*清除 open 标志*/
void clr_fl(int fd, int flags)
{
    int     val;
    if ( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
        perror("fcntl get");
    
    val &= ~flags;
    
    if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
        perror("fcntl set");
}

第 17 行，STDIN_FILENO 是标准输入描述符的宏定义，定义在 unistd.h 头文件中。意思是，从标准输入读入 sizeof(buf) 个字节数据到 buf  缓冲区中。
第 18 行，把一共读到的字节数打印到标准错误。
第 20 行，设置标准输出为非阻塞方式。
第 24 行，把 ptr 所指的内容送往标准输出。
第 22，26，27，28 行，在 for 循环中，ntowrite 为读取到的字节数，一般情况下会读到 100 000 个。由于终端的标准输出一次性可以接受的最大字节一般不可能这么大( 根据系统的不同而不同，而这个数字在某些系统上每次还可能不是固定的，如我的 opensuse11.1 就是如此 )，所以需要一个 for 循环分开几次把读到的内容输出。 nwrite 是一次写到标准输出的字节数。ptr += nwrite 是调整内容指针，ntowrite -= nwrite 表示剩下多少个字节数还没输出。

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先看一个普通的文件：

beyes@linux-beyes:~/C> ll /etc/termcap
lrwxrwxrwx 1 root root 23 04-18 12:51 /etc/termcap -> /usr/share/misc/termcap
beyes@linux-beyes:~/C> ll /usr/share/misc/termcap
-rw-r--r-- 1 root root 969976 2008-12-03 /usr/share/misc/termcap

由上面看到，termcap 文件的大小可以满足我们一次读取 100 000 个字节。

下面，把读取到的 100 000 个字节内容一次性写入到一个 temp.file 的文件中：

beyes@linux-beyes:~/C> ./noblock.exe < /usr/share/misc/termcap > termp.file
read 100000 bytes
nwrite = 100000, errno = 0
beyes@linux-beyes:~/C> ll termp.file
-rw-r--r-- 1 beyes users 100000 07-14 19:19 termp.file

上面标准输出是 termp.file 文件，这时 write 只执行了一次！

假如，标准输出是终端，那么 write 的情形会怎么样呢？

beyes@linux-beyes:~/C> ./noblock.exe < /usr/share/misc/termcap 2>stderr.out

执行上面的命令，把读取的内容输出到标准终端。2>stderr.out 是把产生的错误导入到 stderr.out 文件中。

现在用 cat 命令来看一下 stderr.out 中的内容，非常多，部分返回内容为：

beyes@linux-beyes:~/C> cat stderr.out | more
read 100000 bytes
nwrite = 12007, errno = 0
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
nwrite = -1, errno = 11
... ...

在该系统上，errno 11 是 EAGAIN 。
查看所有 errno = 0 (无错) 的输出：

beyes@linux-beyes:~/C> cat stderr.out | grep "errno = 0"
nwrite = 12007, errno = 0
nwrite = 8023, errno = 0
nwrite = 8016, errno = 0
nwrite = 4007, errno = 0
nwrite = 8010, errno = 0
nwrite = 4009, errno = 0
nwrite = 8011, errno = 0
nwrite = 6059, errno = 0
nwrite = 6058, errno = 0
nwrite = 8019, errno = 0
nwrite = 8024, errno = 0
nwrite = 4012, errno = 0
nwrite = 6060, errno = 0
nwrite = 6065, errno = 0
nwrite = 3620, errno = 0

可见，每次 write 的字节数都有不同，把这些字节数加起来，刚好就是 100, 000 。

再看一下共有多少个输出：

beyes@linux-beyes:~/C> wc -l stderr.out
48423 stderr.out

errno 号为 11 的输出总共 4 万多个！
也就是说，write 的调用次数一共有 4 万次之多，而真正有用的，真正输出数据的才有 15 个！

究其原因，就是使用了非阻塞的输出方式造成的！因为不阻塞了，所以就造成 write 的肆无忌惮的调用！这种形式的循环称为 “轮询”，在多用户系统上，它浪费了大量的 CPU 时间。