读常规文件是不会阻塞的,不管读多少字节,read一定会在有限的时间内返回。但是从终端设备或网络读则不一定,如果从终端输入的数据没有换行符,调用read读终端设备就会阻塞,如果网络上没有接收到数据包,调用read从网络读就会阻塞,至于会阻塞多长时间也是不确定的,如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样,写常规文件是不会阻塞的,而向终端设备或网络写则不一定。
现在先明确一下阻塞(Block)这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时,该进程被置于睡眠(Sleep)状态,这时内核调度其它进程运行,直到该进程等待的事件发生了(比如网络上接收到数据包,或者调用sleep指定的睡眠时间到了)它才有可能继续运行。与睡眠状态相对的是运行(Running)状态,在Linux内核中,处于运行状态的进程分为两种情
况:
正在被调度执行。CPU处于该进程的上下文环境中,程序计数器(eip)里保存着该进程的指令地址,通用寄存器里保存着该进程运算过程的中间结果,正在执行该进程的指令,正在读写该进程的地址空间。
就绪状态。该进程不需要等待什么事件发生,随时都可以执行,但CPU暂时还在执行另一个进程,所以该进程在一个就绪队列中等待被内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进程,那么该调度谁执行呢?内核的调度算法是基于优先级和时间片的,而且会根据每个进程的运行情况动态调整它的优先级和时间片,让每个进程都能比较公平地得到机会执行,同时要兼顾用户体验,不能让和用户交互的进程响应太慢。
下面这个小程序从终端读数据再写回终端。
#include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main(void) { char buf[10]; //这个地方要注意长度为10 int n; n = read(STDIN_FILENO, buf, 10); if (n < 0) { perror("read STDIN_FILENO"); exit(1); } write(STDOUT_FILENO, buf, n); return 0; }
执行结果如下:
$ ./a.out
hello(回车)
hello
$ ./a.out
hello world(回车)
hello worl$ d
bash: d: command not found
第一次执行a.out的结果很正常,而第二次执行的过程有点特殊,现在分析一下:
Shell进程创建a.out进程,a.out进程开始执行,而Shell进程睡眠等待a.out进程退出。
a.out调用read时睡眠等待,直到终端设备输入了换行符才从read返回,read只读走10个字符,剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。
a.out进程打印并退出,这时Shell进程恢复运行,Shell继续从终端读取用户输入的命令,于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符,把它当成一条命令解释执行,结果发现执行不了,没有d这个命令。
如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志,read/write就不会阻塞。以read为例,如果设备暂时没有数据可读就返回-1,同时置errno为EWOULDBLOCK(或者EAGAIN,这两个宏定义的值相同),表示本来应该阻塞在这里(would block,虚拟语气),事实上并没有阻塞而是直接返回错误,调用者应该试着再读一次(again)。这种行为方式称为轮询(Poll),调用者只是查询一下,而不是阻塞在这里死等,这样可以同时监视多个设备:
while(1) {
非阻塞read(设备1);
if(设备1有数据到达)
处理数据;
非阻塞read(设备2);
if(设备2有数据到达)
处理数据;
...
}
上述伪代码中如果read(设备1)是阻塞的,那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read调用上,即使设备2有数据到达也不能处理,使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。
但是非阻塞I/O有一个缺点,如果所有设备都一直没有数据到达,调用者需要反复查询做无用功,如果阻塞在那里,操作系统可以调度别的进程执行,就不会做无用功了。在使用非阻塞I/O时,通常不会在一个while循环中一直不停地查询(这称为Tight Loop),而是每延迟等待一会儿来查询一下,以免做太多无用功,在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。
while(1) {
非阻塞read(设备1);
if(设备1有数据到达)
处理数据;
非阻塞read(设备2);
if(设备2有数据到达)
处理数据;
...
sleep(n);
}
这样做的问题是,设备1有数据到达时可能不能及时处理,最长需延迟n秒才能处理,而且反复查询还是做了很多无用功。后面博客中介绍的select( )函数可以阻塞地同时监视多个设备,还可以设定阻塞等待的超时时间,从而圆满地解决了这个问题。
以下是一个非阻塞I/O的例子。目前我们学过的可能引起阻塞的设备只有终端,所以我们用终端来做这个实验。程序开始执行时在0、1、2文件描述符上自动打开的文件就是终端,但是没有O_NONBLOCK标志。所以就会 “阻塞读终端”,读标准输入是阻塞的。我们可以重新打开一遍设备文件/dev/tty(表示当前终端),在打开时指定O_NONBLOCK标志。
#include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #define MSG_TRY "try again " #define MAX 8192 int main(void) { char buf[MAX]; int fd, n; //以只读且非阻塞方式打开/dev/tty //意思就是打开该终端(tty类似于C++中的this) fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK); if(fd<0) {//如果打开失败就打印出错原因 perror("open /dev/tty"); exit(1); } tryagain: //从终端中读数据到buf中 n = read(fd, buf, sizeof(buf)); if (n < 0)//如果读失败 { //如果错误原因是EAGAIN if (errno == EAGAIN) {//errno就是错误原因所对应的编号 //EAGAIN就是宏定义的一个错误原因 sleep(1); //标准输出(输出到屏幕),MSG_TRY在上面的宏定义 write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY)); goto tryagain; } //如果错误原因不是EAGAIN perror("read /dev/tty"); exit(1); } //如果读到数据 write(STDOUT_FILENO, buf, n); close(fd); return 0; }