42、非阻塞IO与异步IO：fcntl设置非阻塞，aio异步读写
IO这个话题，说简单也简单，说复杂能写一本书。
我做了十几年嵌入式，见过太多程序卡死在read()上。一个传感器没就绪，整个系统就挂了。说白了，这就是阻塞IO的锅。
今天咱们聊聊怎么让程序不卡住。两个方向：非阻塞IO和异步IO。前者是轮询，后者是通知。各有各的玩法。
阻塞IO：最朴素的模式
先看个最基础的例子：
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
char buf[64];
int n = read(fd, buf, sizeof(buf)); // 这里会卡住
printf("读到 %d 字节\n", n);read()调用下去，如果设备没数据，线程就挂起了。这叫阻塞。
我早期做串口通信时，就吃过这个亏。主循环里调了read()，结果设备半天没发数据，整个界面假死。用户点啥都没反应。
⚠️ 注意：阻塞IO在多任务系统里是灾难。一个线程卡住，其他任务也别想好过。
非阻塞IO：用fcntl搞定
非阻塞IO的思路很简单：调用不等待，立即返回。有数据就处理，没数据就干别的。
设置方法就一行：
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞
char buf[64];
int n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n == -1 && errno == EAGAIN) {
// 没数据，不卡住
printf("设备还没准备好，先干别的\n");
} else {
printf("读到 %d 字节\n", n);
}关键点：返回-1且errno是EAGAIN，表示没数据。不是出错，是告诉你"现在没有"。
💡 个人习惯：我一般把非阻塞IO和select()配合用。select()等一段时间，超时了就返回。这样既不会死等，也不会空转CPU。
非阻塞IO的典型场景：
- 串口通信：轮询接收，不阻塞主循环
- 网络socket：处理多个连接
- 管道/消息队列：非阻塞读取
- 键盘输入：不卡住界面
异步IO：让系统通知你
非阻塞IO虽然不卡了，但还得自己轮询。轮询多了，CPU就浪费了。
异步IO不一样。你告诉系统："帮我读数据，读完了叫我。"然后你就可以去睡觉了。
Linux下用aio_read()实现：
#include <aio.h>
struct aiocb cb;
memset(&cb, 0, sizeof(cb));
cb.aio_fildes = fd;
cb.aio_buf = buf;
cb.aio_nbytes = sizeof(buf);
cb.aio_offset = 0;
// 发起异步读
int ret = aio_read(&cb);
if (ret != 0) {
perror("aio_read failed");
return;
}
// 这里可以做其他事情
printf("读操作已提交，我先忙别的\n");
// 检查完成状态
while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS) {
// 还没完成，继续干别的
usleep(1000);
}
// 获取结果
int n = aio_return(&cb);
printf("异步读取完成，共 %d 字节\n", n);嗯，这里要注意：aio_read()只是提交请求，不等待。系统会在后台帮你读，读完了你再去拿结果。
🔑 核心区别：
- 阻塞IO：调用者等待，直到完成
- 非阻塞IO：调用者轮询，检查是否完成
- 异步IO：调用者提交，系统通知完成
实战对比：三种模式
我曾经在一个数据采集项目里，三种模式都用过。做个对比：
| 模式 | CPU占用 | 响应延迟 | 编程复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 阻塞IO | 低（挂起） | 高（等数据） | 低 | 简单单任务 |
| 非阻塞IO | 中（轮询） | 中（可控制） | 中 | 多路复用 |
| 异步IO | 低（回调） | 低（立即通知） | 高 | 高性能场景 |
你想想看，如果只是读个配置文件，阻塞IO就够了。但如果是网络服务器，同时处理上千个连接，非阻塞IO加epoll才是正道。至于异步IO，适合那种数据量大、延迟要求高的场景，比如高速数据采集。
避坑指南
我踩过的坑，分享给你：
- 非阻塞IO的EAGAIN：一定要检查errno。我曾经忘了检查，以为读失败了，其实只是没数据。
- aio的缓冲区：异步IO的缓冲区必须在整个操作期间有效。我犯过错误，函数返回后局部变量被销毁，aio还在读，结果数据全乱了。
- 信号处理：aio完成会发信号。如果信号处理不当，程序可能莫名其妙退出。
- 平台差异：aio在Linux上支持，但在某些嵌入式RTOS上可能没有。移植时要注意。
⚠️ 我曾经：在一个项目里用了aio，结果发现目标平台不支持。最后只能改成非阻塞IO加select。所以，选方案前先确认平台能力。
知识体系图
下面这张图，帮你理清IO模型的关系：
总结
非阻塞IO和异步IO，本质都是解决"等待"的问题。非阻塞IO让你自己控制节奏，异步IO让系统帮你干活。
选哪个？看场景：
- 简单任务：阻塞IO就够了
- 多路复用：非阻塞IO + select/epoll
- 高性能：异步IO
我个人更常用非阻塞IO加select。因为可控，调试也方便。异步IO虽然高大上，但坑也多，新手慎用。