linux系統編程之基礎必備（七）：read/write函數與（非）阻塞I/O的概念

一、read/write 函數

read函數從開啟的裝置或檔案中讀取資料。

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

傳回值：成功返回讀取的位元組數，出錯返回-1並設定errno，如果在調read之前已到達檔案末尾，則這次read返回0

參數count是請求讀取的位元組數，讀上來的資料儲存在緩衝區buf中，同時檔案的當前讀寫位置向後移。注意這個讀寫位置和使用C標準I/O庫時的讀寫位置有可能不同，這個讀寫位置是記在核心中的，而使用C標準I/O庫時的讀寫位置是使用者空間I/O緩衝區中的位置。比如用fgetc讀一個位元組，fgetc有可能從核心中預讀1024個位元組到I/O緩衝區中，再返回第一個位元組，這時該檔案在核心中記錄的讀寫位置是1024，而在FILE結構體中記錄的讀寫位置是1。注意傳回值類型是ssize_t，表示有符號的size_t，這樣既可以返回正的位元組數、0（表示到達檔案末尾）也可以返回負值-1（表示出錯）。read函數返回時，傳回值說明了buf中前多少個位元組是剛讀上來的。有些情況下，實際讀到的位元組數（傳回值）會小於請求讀的位元組數count，例如：

1、讀常規檔案時，在讀到count個位元組之前已到達檔案末尾。例如，距檔案末尾還有30個位元組而請求讀100個位元組，則read返回30，下次read將返回0。從

2、終端裝置讀，通常以行為單位，讀到分行符號就返回了。

3、從網路讀，根據不同的傳輸層協議和核心緩衝機制，傳回值可能小於請求的位元組數。

write函數向開啟的裝置或檔案中寫資料。
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

傳回值：成功返回寫入的位元組數，出錯返回-1並設定errno

寫常規檔案時，write的傳回值通常等於請求寫的位元組數count，而向終端裝置或網路寫則不一定。

讀常規檔案是不會阻塞的，不管讀多少位元組，read一定會在有限的時間內返回。從終端裝置或網路讀則不一定，如果從終端輸入的資料沒有分行符號，調用read讀終端裝置就會阻塞，如果網路上沒有接收到資料包，調用read從網路讀就會阻塞，至於會阻塞多長時間也是不確定的，如果一直沒有資料到達就一直阻塞在那裡。同樣，寫常規檔案是不會阻塞的，而向終端裝置或網路寫則不一定。

二、（非）阻塞I/O的概念

現在明確一下阻塞（Block）這個概念。當進程調用一個阻塞的系統函數時，該進程被置於睡眠（Sleep）狀態，這時核心調度其它進程運行，直到該進程等待的事件發生了（比如網路上接收到資料包，或者調用sleep指定的睡眠時間到了）它才有可能繼續運行。與睡眠狀態相對的是運行（Running）狀態，在Linux核心中，處於運行狀態的進程分為兩種情況：

1、正在被調度執行。CPU處於該進程的上下文環境中，程式計數器（eip）裡儲存著該進程的指令地址，通用寄存器裡儲存著該進程運算過程的中間結果，正在執行該進程的指令，正在讀寫該進程的地址空間。

2、就緒狀態。該進程不需要等待什麼事件發生，隨時都可以執行，但CPU暫時還在執行另一個進程，所以該進程在一個就緒隊列中等待被核心調度。系統中可能同時有多個就緒的進程，那麼該調度誰執行呢？核心的調度演算法是基於優先順序和時間片的，而且會根據每個進程的運行情況動態調整它的優先順序和時間片，讓每個進程都能比較公平地得到機會執行，同時要兼顧使用者體驗，不能讓和使用者互動的進程響應太慢。

如果在open一個裝置時指定了O_NONBLOCK標誌，read/write就不會阻塞。以read為例，如果裝置暫時沒有資料可讀就返回-1，同時置errno為EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，這兩個宏定義的值相同），表示本來應該阻塞在這裡（would block，虛擬語氣），事實上並沒有阻塞而是直接返回錯誤，調用者應該試著再讀一次（again）。這種行為方式稱為輪詢（Poll），調用者只是查詢一下，而不是阻塞在這裡死等，這樣可以同時監視多個裝置：

while(1) 

{ 

非阻塞read(裝置1); 

if(裝置1有資料到達) 

處理資料; 

非阻塞read(裝置2); 

if(裝置2有資料到達) 

處理資料; 

..............................

}

如果read(裝置1)是阻塞的，那麼只要裝置1沒有資料到達就會一直阻塞在裝置1的read調用上，即使裝置2有資料到達也不能處理，使用非阻塞I/O就可以避免裝置2得不到及時處理。

非阻塞I/O有一個缺點，如果所有裝置都一直沒有資料到達，調用者需要反覆查詢做無用功，如果阻塞在那裡，作業系統可以調度別的進程執行，就不會做無用功了。在使用非阻塞I/O時，通常不會在一個while迴圈中一直不停地查詢（這稱為Tight Loop），而是每延遲等待一會兒來查詢一下，以免做太多無用功，在延遲等待的時候可以調度其它進程執行。

while(1) 

{ 

非阻塞read(裝置1); 

if(裝置1有資料到達) 

處理資料; 

非阻塞read(裝置2); 

if(裝置2有資料到達) 

處理資料; 

..............................

sleep(n);

}

這樣做的問題是，裝置1有資料到達時可能不能及時處理，最長需延遲n秒才能處理，而且反覆查詢還是做了很多無用功。而select/poll/epoll 等函數可以阻塞地同時監視多個裝置，還可以設定阻塞等待的逾時時間，從而圓滿地解決了這個問題。

參考：《linux c 編程一站式學習》