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訊號驅動IO的簡介

在訊號驅動IO模型中，使用者執行緒通過IO事件的回撥函式註冊，來避免IO時間查詢的阻塞。

具體的做法是，使用者程序預先在核心中設定一個回撥函式，當某個事件發生時，核心使用訊號（SIGIO）通知程序執行回撥函式。 然後使用者執行緒會繼續執行，在訊號回撥函式中呼叫IO讀寫操作來進行實際的IO請求操作。

訊號驅動IO的基本流程

訊號驅動IO的基本流程是：

使用者程序通過系統呼叫，向核心註冊SIGIO訊號的owner程序和以及程序內的回撥函式。核心IO事件發生後（比如核心緩衝區資料就位）後，通知使用者程式，使用者程序通過read系統呼叫，將資料複製到使用者空間，然後執行業務邏輯。

訊號驅動IO模型，每當套接字發生IO事件時，系統核心都會向用戶程序傳送SIGIO事件，所以，一般用於UDP傳輸，在TCP套接字的開發過程中很少使用，原因是SIGIO訊號產生得過於頻繁，並且核心傳送的SIGIO訊號，並沒有告訴使用者程序發生了什麼IO事件。

但是在UDP套接字上，通過SIGIO訊號進行下面兩個事件的型別判斷即可：

1 資料報到達套接字

2 套接字上發上一部錯誤

因此，在SIGIO出現的時候，使用者程序很容易進行判斷和做出對應的處理：如果不是發生錯誤，那麼就是有資料報到達了。

事件註冊的步驟

舉個例子。發起一個非同步IO的read讀操作的系統呼叫，流程如下：

（1）設定SIGIO訊號的訊號處理回撥函式。

（2）設定該套介面的屬主程序，使得套接字的IO事件發生時，系統能夠將SIGIO訊號傳遞給屬主程序，也就是當前程序。

（3）開啟該套介面的訊號驅動I/O機制，通常通過使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞標誌和O_ASYNC非同步標誌完成。

完成以上三步，使用者程序就完成了事件回撥處理函式的設定。當檔案描述符上有事件發生時，SIGIO 的訊號處理函式將被觸發，然後便可對目標檔案描述符執行 I/O 操作。

關於以上三步的詳細介紹，具體如下：

第一步：

設定SIGIO訊號的訊號處理回撥函式。Linux中通過 sigaction() 來完成。參考的程式碼如下：

   // 註冊SIGIO事件的回撥函式

   sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

sigaction函式的功能是檢查或修改與指定訊號相關聯的處理動作（可同時兩種操作），函式的原型如下：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,

                     struct sigaction *oldact);

對其中的引數說明如下：

1 signum引數指出要捕獲的訊號型別

2 act引數指定新的訊號處理方式

3 oldact引數輸出先前訊號的處理方式（如果不為NULL的話）。

該函式是Linux系統的一個基礎函式，不是為訊號驅動IO特供的。在訊號驅動IO的使用場景中，signum的值為常量 SIGIO。

第二步：

設定該套介面的屬主程序，使得套接字的IO事件發生時，系統能夠將SIGIO訊號傳遞給屬主程序，也就是當前程序。屬主程序是當檔案描述符上可執行 I/O 時，會接收到通知訊號的程序或程序組。

為檔案描述符的設定IO事件的屬主程序，通過 fcntl() 的 F_SETOWN 操作來完成，參考的程式碼如下：

fcntl(fd,F_SETOWN,pid)

當引數pid 為正整數時，代表了程序 ID 號。當引數pid 為負整數時，它的絕對值就代表了程序組 ID 號。

第三步：

開啟該套介面的訊號驅動IO機制，通常通過使用fcntl方法的F_SETFL操作命令，使能（enable）套接字的 O_NONBLOCK非阻塞標誌和O_ASYNC非同步標誌完成。參考的程式碼如下：

int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //設定非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //設定為非同步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

這一步通過 fcntl() 的 F_SETFL 操作來完成，O_NONBLOCK為非阻塞標誌，O_ASYNC為訊號驅動 I/O的標誌。

使用事件驅動IO進行UDP通訊應用的開發，參考的程式碼如下（C程式碼）：

int socket_fd = 0;

 

//事件的處理函式

void do_sometime(int signal) {

    struct sockaddr_in cli_addr;

    int clilen = sizeof(cli_addr);

    int clifd = 0;

 

    char buffer[256] = {0};

    int len = recvfrom(socket_fd, buffer, 256, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr,

                       (socklen_t)&clilen);

    printf("Mes:%s", buffer);

    

    //回寫

    sendto(socket_fd, buffer, len, 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, clilen);

}

 

int main(int argc, char const *argv[]) {

    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;

    act.sa_handler = do_sometime;

    // 註冊SIGIO事件的回撥函式
    sigaction(SIGIO, &act, NULL); 

    struct sockaddr_in servaddr;

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons(8888);

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

 

    //第二步為檔案描述符的設定 屬主

    //設定將要在socket_fd上接收SIGIO的程序

    fcntl(socket_fd, F_SETOWN, getpid());

 

    //第三步：使能套接字的訊號驅動IO

    int flags = fcntl(socket_fd, F_GETFL, 0);

    flags |= O_NONBLOCK;  //設定非阻塞

    flags |= O_ASYNC;    //設定為非同步

    fcntl(socket_fd, F_SETFL, flags );

 

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    while (1) sleep(1); //死迴圈

    close(socket_fd);

    return 0;

}

當套件字的IO事件發生時，回撥函式被執行，在回撥函式中，使用者進行執行資料複製即可。

訊號驅動IO優勢：

使用者程序在等待資料時，不會被阻塞，能夠使用者程序的效率。具體來說：在訊號驅動式I/O模型中，應用程式使用套介面進行訊號驅動I/O，並安裝一個訊號處理函式，程序繼續執行並不阻塞。

訊號驅動IO缺點：

1 在大量IO事件發生時，可能會由於處理不過來，而導致訊號佇列溢位。

2 對於處理UDP套接字來講，對於訊號驅動I/O是有用的。可是，對於TCP而言，由於致使SIGIO訊號通知的條件為數眾多，進行IO訊號進一步區分的成本太高，訊號驅動的I/O方式近乎無用。

3 訊號驅動IO可以看成是一種非同步IO，可以簡單理解為系統進行使用者函式的回撥。但是，訊號驅動IO的非同步特性，又做的不徹底。訊號驅動IO僅僅在IO事件的通知階段，是非同步的，但是，在將資料從核心緩衝區複製到使用者緩衝區這個過程，使用者程序是阻塞的、同步的。