第29章高级I/O

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高级I/O：非阻塞I/O、I/O多路复用、异步I/O、存储映射I/O

各位同学，今天我们来聊聊高级I/O。说实话，I/O这块是系统编程里最容易让人头疼的地方。我早年做网络服务器的时候，就被阻塞I/O坑过好几次——一个客户端卡住了，整个服务都跟着瘫痪。后来才慢慢摸清楚这些高级I/O的门道。

咱们今天要讲四个东西：非阻塞I/O、I/O多路复用、异步I/O，还有存储映射I/O。它们解决的核心问题其实就一个：怎么让程序不卡在I/O操作上。

核心思想：让CPU在等待I/O的时候别闲着，去干点别的有用的事。

一、非阻塞I/O

先说说非阻塞I/O。说白了，就是告诉内核："别等我，有数据就给我，没有我就先干别的"。

设置非阻塞有两种方式：

打开文件时指定 O_NONBLOCK 标志
用 fcntl 动态设置

// 方式一：open时指定
int fd = open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);

// 方式二：用fcntl设置
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

非阻塞模式下，read() 如果没有数据可读，会立即返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。嗯，这里要注意：这两个错误码在Linux上是同一个值，但写代码时最好两个都判断，保证可移植性。

我的经验：非阻塞I/O配合轮询用，适合简单的场景。但如果你要监控几十上百个文件描述符，千万别用轮询——CPU空转太浪费了。这时候就该I/O多路复用上场了。

二、I/O多路复用（回顾）

I/O多路复用，说白了就是一个线程同时盯着多个文件描述符。哪个有动静了，就去处理哪个。

Linux下主要有三个：

机制	特点	适用场景
select	跨平台，但fd数量有限（默认1024）	少量fd，兼容性要求高
poll	无上限，但效率随fd数线性下降	中等数量fd
epoll	Linux专属，事件驱动，效率高	大量fd，高性能场景

我个人习惯是：新项目直接用epoll。除非你要写跨平台的代码，那才考虑select或poll。

// epoll 核心用法
int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);

struct epoll_event events[64];
while (1) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, 64, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        // 处理就绪的事件
    }
}

我曾经踩过的坑：用epoll做边缘触发（ET模式）时，一定要循环读取直到返回EAGAIN。否则数据没读完，下次就不会再触发了。这个bug我调了整整一个下午才找到原因。

三、异步I/O（AIO）

异步I/O和前面几种思路完全不同。前面都是"我主动去检查"，AIO是"你好了通知我"。

Linux的AIO有两种：

POSIX AIO（glibc实现）：用户态模拟，性能一般
Linux AIO（内核原生）：真正的异步，但只支持O_DIRECT模式

// POSIX AIO 示例
struct aiocb cb;
memset(&cb, 0, sizeof(cb));
cb.aio_fildes = fd;
cb.aio_buf = buffer;
cb.aio_nbytes = 1024;
cb.aio_offset = 0;

// 发起异步读
aio_read(&cb);

// 干点别的事...

// 检查完成状态
while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS) {
    // 还没完成，继续等
}

// 获取结果
ssize_t ret = aio_return(&cb);

注意：Linux内核原生的AIO限制比较多。我建议普通应用用POSIX AIO就够了，或者干脆用libuv、libevent这些封装好的库。除非你在做数据库、存储系统这类对性能极致追求的东西，才需要考虑内核AIO。

四、存储映射I/O（mmap）

存储映射I/O，说白了就是把文件直接映射到进程的地址空间。之后读写文件就像读写内存一样，不需要read/write系统调用。

#include <sys/mman.h>

// 映射文件
void *addr = mmap(NULL,              // 内核选地址
                  length,            // 映射长度
                  PROT_READ | PROT_WRITE,  // 读写权限
                  MAP_SHARED,        // 共享映射
                  fd,                // 文件描述符
                  0);                // 偏移量

// 直接通过指针读写
memcpy(addr, "hello", 5);

// 解除映射
munmap(addr, length);

mmap的好处很明显：

减少系统调用：不用频繁read/write
共享内存：多个进程可以映射同一个文件
延迟加载：只有访问到的页面才真正读入内存

我的建议：处理大文件时，mmap比read/write快很多。但要注意，映射的文件大小不能超过地址空间范围（32位系统尤其明显）。另外，频繁的小文件读写，用mmap反而可能更慢——因为建立映射本身有开销。

避坑指南：我曾经在项目中用mmap映射了一个日志文件，然后另一个进程在写这个文件。结果映射端看到的内容不一致——因为mmap不保证实时同步其他进程的写入。解决办法是用msync强制同步，或者用MAP_SHARED_VALIDATE标志。

五、四种I/O方式对比

方式	阻塞点	CPU利用率	编程复杂度	典型场景
阻塞I/O	全程阻塞	低	低	简单脚本
非阻塞I/O	轮询时CPU忙	中	中	少量fd
I/O多路复用	select/poll/epoll	高	中高	网络服务器
异步I/O	不阻塞	高	高	高性能存储
存储映射I/O	缺页时	高	中	大文件处理

最后说一句：没有银弹。每种方式都有自己的适用场景。我见过有人非要用epoll去读一个普通文件，结果性能还不如直接read——因为文件已经在page cache里了，epoll反而多了一层开销。

选型的时候，多想想你的实际场景：并发量多大？数据量多大？实时性要求多高？想清楚了，自然就知道该用哪个了。

📚 课程目录

高级I/O：非阻塞I/O、I/O多路复用、异步I/O、存储映射I/O

一、非阻塞I/O

二、I/O多路复用（回顾）

三、异步I/O（AIO）

四、存储映射I/O（mmap）

五、四种I/O方式对比