《UNIXLinux程序设计教程》一3.7　非阻塞I/O

3.7　非阻塞I/O

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。