1,异步通知
异步通知的意思是: 一旦设备就绪, 则主动通知应用程序, 这样应用程序根本就不需要查询设备状态, 这一点非常类似于硬件上“中断”的概念, 比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟, 在原理上, 一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。 信号是异步的, 一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达, 事实上, 进程也不知道信号到底什么时候到达。阻塞I/O意味着一直等待设备可访问后再访问, 非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问, 而异步通知则意味着设备通知用户自身可访问, 之后用户再进行I/O处理,即:由驱动发起,主动通知应用程序。 由此可见, 这几种I/O方式可以相互补充。
下面三张图分别呈现了阻塞I/O, 结合轮询的非阻塞I/O及基于SIGIO的异步通知在时间先后顺序上的不同:
2,example
include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <signal.h> #include <unistd.h> #define MAX_LEN 100 //信号SIGIO的处理函数 void input_handler(int num) { char data[MAX_LEN]; int len; /* 读取并输出STDIN_FILENO上的输入 */ len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN); data[len] = 0; printf("input available: %s\n", data); } void main() { int oflags; /* 启动信号驱动机制 */ signal(SIGIO, input_handler); //设置本进程为STDIN_FILENO文件的拥有者,没有这一步内核不会知道应该将信号发送给哪个进程 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid()); //获得文件的状态标志 oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL); //启动异步通知机制 fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC); while(1); }
由此可见,为了在用户空间中能处理一个设备释放的信号,它必须完成3项工作
(1)通过F_SETOWN IO控制命令设置设备文件的拥有者为本进程,这样从设备驱动发出的信号才能被本进程接收到。
(2)通过F_SETFL IO控制命令设置设备文件支持FASYNC,即异步通知机制。
(3)通过signal()函数连接信号和信号处理函数。
注:【fcntl系统调用】
功能描述:根据文件描述词来操作文件的特性。
用法:
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
参数:
fd:文件描述词。
cmd:操作命令。
arg:供命令使用的参数。
lock:同上。
有以下操作命令可供使用
F_GETFL :读取文件状态标志。
F_SETFL :设置文件状态标志。
F_GETOWN:获取当前在文件描述词 fd上接收到SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。
F_SETOWN:设置将要在文件描述词fd上接收SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识
2,fcntl
功能描述:根据文件描述词来操作文件的特性。
文件控制函数 fcntl -- file control
头文件:
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
函数原型:
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
描述:
fcntl()针对(文件)描述符提供控制.参数fd是被参数cmd操作(如下面的描述)的描述符.
针对cmd的值,fcntl能够接受第三个参数(arg)
fcntl函数有5种功能:
1.复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD).
2.获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
3.获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
4.获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
5.获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).
cmd 选项:
F_DUPFD 返回一个如下描述的(文件)描述符:
(1)最小的大于或等于arg的一个可用的描述符
(2)与原始操作符一样的某对象的引用
(3)如果对象是文件(file)的话,返回一个新的描述符,这个描述符与arg共享相同的偏移量(offset)
(4)相同的访问模式(读,写或读/写)
(5)相同的文件状态标志(如:两个文件描述符共享相同的状态标志)
(6)与新的文件描述符结合在一起的close-on-exec标志被设置成交叉式访问execve(2)的系统调用
F_GETFD 取得与文件描述符fd联合close-on-exec标志,类似FD_CLOEXEC.如果返回值和FD_CLOEXEC进行与运算结果是0的话,文件保持交叉式访问exec(), 否则如果通过exec运行的话,文件将被关闭(arg被忽略)
F_SETFD 设置close-on-exec旗标。该旗标以参数arg的FD_CLOEXEC位决定。
F_GETFL 取得fd的文件状态标志,如同下面的描述一样(arg被忽略)
F_SETFL 设置给arg描述符状态标志,可以更改的几个标志是:O_APPEND, O_NONBLOCK,O_SYNC和O_ASYNC。
F_GETOWN 取得当前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id返回成负值(arg被忽略)
F_SETOWN 设置将接收SIGIO和SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id通过提供负值的arg来说明,否则,arg将被认为是进程id
命令字(cmd)F_GETFL和F_SETFL的标志如下面的描述:
O_NONBLOCK 非阻塞I/O;如果read(2)调用没有可读取的数据,或者如果write(2)操作将阻塞,read或write调用返回-1和EAGAIN错误 O_APPEND 强制每次写(write)操作都添加在文件大的末尾,相当于open(2)的O_APPEND标志
O_DIRECT 最小化或去掉reading和writing的缓存影响.系统将企图避免缓存你的读或写的数据.
如果不能够避免缓存,那么它将最小化已经被缓存了的数 据造成的影响.如果这个标志用的不够好,将大大的降低性能
O_ASYNC 当I/O可用的时候,允许SIGIO信号发送到进程组,例如:当有数据可以读的时候
注意: 在修改文件描述符标志或文件状态标志时必须谨慎,先要取得现在的标志值,然后按照希望修改它,最后设置新标志值。不能只是执行F_SETFD或F_SETFL命令,这样会关闭以前设置的标志位。
fcntl的返回值: 与命令有关。如果出错,所有命令都返回-1,如果成功则返回某个其他值。下列三个命令有特定返回值:F_DUPFD,F_GETFD,F_GETFL以及F_GETOWN。第一个返回新的文件描述符,第二个返回相应标志,最后一个返回一个正的进程ID或负的进程组ID。
一:第一种类似于dup操作,在这里不做举例。(fcnlt(oldfd, F_DUPFD, 0) <==>dup2(oldfd, newfd))
二:设置close-on-exec旗标
在此函数中创建子进程,调用execl
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> int main() { pid_t pid; //以追加的形式打开文件 int fd = fd = open("test.txt", O_TRUNC | O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0777); if(fd < 0) { perror("open"); return -1; } printf("fd = %d\n", fd); fcntl(fd, F_SETFD, 0);//关闭fd的close-on-exec标志 write(fd, "hello c program\n", strlen("hello c program!\n")); pid = fork(); if(pid < 0) { perror("fork"); return -1; } if(pid == 0) { printf("fd = %d\n", fd); int ret = execl("./main", "./main", (char *)&fd, NULL); if(ret < 0) { perror("execl"); exit(-1); } exit(0); } wait(NULL); write(fd, "hello c++ program!\n", strlen("hello c++ program!\n")); close(fd); return 0; }View Code
main测试函数
int main(int argc, char *argv[]) { int fd = (int)(*argv[1]);//描述符 printf("fd = %d\n", fd); int ret = write(fd, "hello linux\n", strlen("hello linux\n")); if(ret < 0) { perror("write"); return -1; } close(fd); return 0; }View Code
执行后文件结果:
[root@centOS5 class_2]# cat test.txt hello c program hello linux hello c++ program!View Code
三:用命令F_GETFL和F_SETFL设置文件标志,比如阻塞与非阻塞
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> /**********************使能非阻塞I/O******************** *int flags; *if(flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0) < 0) *{ * perror("fcntl"); * return -1; *} *flags |= O_NONBLOCK; *if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0) *{ * perror("fcntl"); * return -1; *} *******************************************************/ /**********************关闭非阻塞I/O****************** flags &= ~O_NONBLOCK; if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0) { perror("fcntl"); return -1; } *******************************************************/ int main() { char buf[10] = {0}; int ret; int flags; //使用非阻塞io if(flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0) < 0) { perror("fcntl"); return -1; } flags |= O_NONBLOCK; if(fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) < 0) { perror("fcntl"); return -1; } while(1) { sleep(2); ret = read(STDIN_FILENO, buf, 9); if(ret == 0) { perror("read--no"); } else { printf("read = %d\n", ret); } write(STDOUT_FILENO, buf, 10); memset(buf, 0, 10); } return 0; }View Code
五:设置获取记录锁
结构体flock的指针:
struct flcok
{
short int l_type; /* 锁定的状态*/
//这三个参数用于分段对文件加锁,若对整个文件加锁,则:l_whence=SEEK_SET,l_start=0,l_len=0;
short int l_whence;/*决定l_start位置*/
off_t l_start; /*锁定区域的开头位置*/
off_t l_len; /*锁定区域的大小*/
pid_t l_pid; /*锁定动作的进程*/
};
l_type 有三种状态:
F_RDLCK 建立一个供读取用的锁定
F_WRLCK 建立一个供写入用的锁定
F_UNLCK 删除之前建立的锁定
l_whence 也有三种方式:
SEEK_SET 以文件开头为锁定的起始位置。
SEEK_CUR 以目前文件读写位置为锁定的起始位置
SEEK_END 以文件结尾为锁定的起始位置。
#include "filelock.h" /* 设置一把读锁 */ int readLock(int fd, short start, short whence, short len) { struct flock lock; lock.l_type = F_RDLCK; lock.l_start = start; lock.l_whence = whence;//SEEK_CUR,SEEK_SET,SEEK_END lock.l_len = len; lock.l_pid = getpid(); // 阻塞方式加锁 if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0) return 1; return 0; } /* 设置一把读锁 , 不等待 */ int readLocknw(int fd, short start, short whence, short len) { struct flock lock; lock.l_type = F_RDLCK; lock.l_start = start; lock.l_whence = whence;//SEEK_CUR,SEEK_SET,SEEK_END lock.l_len = len; lock.l_pid = getpid(); // 非阻塞方式加锁 if(fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == 0) return 1; return 0; } /* 设置一把写锁 */ int writeLock(int fd, short start, short whence, short len) { struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; lock.l_start = start; lock.l_whence = whence; lock.l_len = len; lock.l_pid = getpid(); //阻塞方式加锁 if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0) return 1; return 0; } /* 设置一把写锁 */ int writeLocknw(int fd, short start, short whence, short len) { struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; lock.l_start = start; lock.l_whence = whence; lock.l_len = len; lock.l_pid = getpid(); //非阻塞方式加锁 if(fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == 0) return 1; return 0; } /* 解锁 */ int unlock(int fd, short start, short whence, short len) { struct flock lock; lock.l_type = F_UNLCK; lock.l_start = start; lock.l_whence = whence; lock.l_len = len; lock.l_pid = getpid(); if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0) return 1; return 0; }View Code
3,STDIN_FILENO
1.STDIN_FILENO的作用
STDIN_FILENO属于系统API接口库,其声明为 int 型,是一个打开文件句柄,对应的函数主要包括 open/read/write/close 等系统级调用。
操作系统一级提供的文件API都是以文件描述符来表示文件。STDIN_FILENO就是标准输入设备(一般是键盘)的文件描述符。
2.区别
1)数据类型不一致:
stdin类型为 FILE*
STDIN_FILENO类型为 int
使用stdin的函数主要有:fread、fwrite、fclose等,基本上都以f开头
使用STDIN_FILENO的函数有:read、write、close等
2)stdin等是FILE *类型,属于标准I/O,高级的输入输出函数。在<stdio.h>。
STDIN_FILENO等是文件描述符,是非负整数,一般定义为0, 1, 2,属于没有buffer的I/O,直接调用系统调用,在<unistd.h>。
3)STDIN_FILENO 是标准输入的文件描述符
详见/usr/include/unistd.h
代码:
/* Standard file descriptors. */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO 1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO 2 /* Standard error output. */
4)层次不一样。STDIN 属于标准库处理的输入流,其声明为 FILE 型的,对应的函数前面都有f开头,如fopen/fread/fwrite/fclose 标准库调用等
STDIN_FILENO属于系统API接口库,其声明为 int 型,是一个打开文件句柄,对应的函数主要包括 open/read/write/close 等系统级调用。
标准库内封装了系统 API 调用,如 fread 内部实现调用 read。
5)操作系统一级提供的文件API都是以文件描述符来表示文件。STDIN_FILENO就是标准输入设备(一般是键盘)的文件描述符。
6)曾经很纳闷,为什么一个整形fd(STDIN_FILENO=0)就可以代表一个打开的文件呢?
后来明白了,和我们的手机号是类似的,手机号只是一个9位数的整形,但是在移动通话网络里,它就可以用来区分不同的手机终端。
标准C++一级提供的文件操作函数库都是用FILE*来表示文件,stdin就是指向标准输入设备文件的FILE*。
参考:使用信号实现异步通知机制的例子 - 爱生活,爱编程 - 博客园 (cnblogs.com)
你真的懂Linux内核中的阻塞和异步通知机制吗?(花了五天整理,墙裂推荐!) - 知乎 (zhihu.com)
彻底弄懂Linux驱动中的异步通知的概念和作用 - 知乎 (zhihu.com)
STDIN_FILENO的作用及与stdin 的区别_深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA的博客-CSDN博客
Linux fcntl函数详解 - 夕相待 - 博客园 (cnblogs.com)
fcntl(2) - Linux manual page (man7.org)
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