阻塞 vs 非阻塞 I/O —— 同一個 read 的兩種世界同樣調(diào)read(fd, buf, n)加不加O_NONBLOCK行為完全不一樣阻塞模式下沒數(shù)據(jù)就睡到天荒地老非阻塞模式下立即返回EAGAIN剩下的得自己 poll。這篇把阻塞與非阻塞的行為差異、各自適用場景、EAGAIN處理、跟事件循環(huán)的搭配講清楚。0. 引言read 沒數(shù)據(jù)怎么辦intfdopen(/dev/tty,O_RDONLY);/* 終端 */charbuf[100];ssize_tnread(fd,buf,100);/* 終端沒人輸入read 一直不返回進程卡死 */intfdopen(/dev/tty,O_RDONLY|O_NONBLOCK);charbuf[100];ssize_tnread(fd,buf,100);/* n -1, errno EAGAIN —— 立即返回 */默認是阻塞。加O_NONBLOCK就是非阻塞。這是 Linux I/O 編程的根本分水嶺。1. 阻塞 I/O讓內(nèi)核幫你等1.1 阻塞 read 的行為ssize_tnread(fd,buf,100);情況行為返回值有數(shù)據(jù)立刻返回實際字節(jié)數(shù)≤ 100無數(shù)據(jù) 有數(shù)據(jù)來進程睡眠→ 醒來讀到實際字節(jié)數(shù)無數(shù)據(jù) 對端關(guān)閉進程睡眠 → 醒來0EOF無數(shù)據(jù) 出錯信號、磁盤錯進程睡眠 → 醒來-1errno給原因阻塞期間進程在內(nèi)核的等待隊列里睡不消耗 CPU。1.2 阻塞 write 的行為ssize_tnwrite(fd,buf,100);情況行為緩沖足夠?qū)懲攴祷乜赡芏虒懸h(huán)寫緩沖滿pipe / socket進程睡眠等到有空間再繼續(xù)寫1.3 阻塞 accept、connectintconnaccept(srv,NULL,NULL);connect(s,addr,sizeofaddr);調(diào)用阻塞條件醒來時機accept沒有新連接到達三次握手完成新 fd 出現(xiàn)在 backlog 隊列connect三次握手未完成收到 SYN-ACK成功/ 超時 / RST失敗1.4 阻塞模式的優(yōu)點/* 實現(xiàn)一個簡單的服務(wù)器只需要 */while(1){intconnaccept(srv,NULL,NULL);handle_request(conn);close(conn);}代碼線性、直觀——做完這一步再做下一步的思維。適合的場景場景典型例子單連接客戶端curl風(fēng)格的 CLI 工具每連接一進程/線程的服務(wù)pre-forkApache prefork、per-thread簡單腳本和工具任何不追求并發(fā)的小程序1.5 阻塞模式的局限一個進程/線程只能等一個 fd。要同時處理 1000 個連接要么 1000 個線程開銷大要么改用非阻塞 多路復(fù)用。2. 非阻塞 I/O來不及就立即返回2.1 怎么開啟兩種方式/* 方式 1open 時設(shè) */intfdopen(path,O_RDONLY|O_NONBLOCK);/* 方式 2fcntl 改 */intflagsfcntl(fd,F_GETFL);fcntl(fd,F_SETFL,flags|O_NONBLOCK);socket 也一樣intssocket(AF_INET,SOCK_STREAM|SOCK_NONBLOCK,0);/* 一步到位 */2.2 非阻塞 read 的行為ssize_tnread(fd,buf,100);有數(shù)據(jù)立刻返回≤ 100 字節(jié)無數(shù)據(jù)立刻返回 -1errno EAGAINEWOULDBLOCK對端關(guān)閉返回 0出錯返回 -1errno 不是 EAGAINssize_tnread(fd,buf,100);if(n0){if(errnoEAGAIN||errnoEWOULDBLOCK){/* 沒數(shù)據(jù)不是錯誤稍后再試 */}elseif(errnoEINTR){/* 信號打斷重試 */}else{/* 真的出錯了 */perror(read);}}2.3 非阻塞 write 的行為ssize_tnwrite(fd,buf,1000);緩沖有空間寫一部分可能短于 1000返回寫入字節(jié)數(shù)緩沖完全滿返回 -1errno EAGAIN不會阻塞等空間工程上 write 經(jīng)常短寫非阻塞下要循環(huán) EAGAIN 檢測ssize_ttotal0;while(totaln){ssize_twwrite(fd,buftotal,n-total);if(w0){if(errnoEINTR)continue;if(errnoEAGAIN){/* 緩沖滿了先停下等可寫事件再繼續(xù) */break;}return-1;}totalw;}returntotal;2.4 非阻塞 accept、connect/* 非阻塞 accept */intconnaccept(srv,NULL,NULL);if(conn0(errnoEAGAIN||errnoEWOULDBLOCK)){/* 暫時沒新連接 */}/* 非阻塞 connect 比較特殊 */intrcconnect(s,addr,sizeofaddr);if(rc0errnoEINPROGRESS){/* 三次握手還在進行要 select/epoll 等可寫事件 */}3. 阻塞 vs 非阻塞 行為對比行為阻塞非阻塞read 沒數(shù)據(jù)進程睡眠等返回 -1, errnoEAGAINwrite 緩沖滿進程睡眠等返回 -1 或部分寫入accept 沒連接睡眠等返回 -1, errnoEAGAINconnect 三次握手等到完成立刻返回errnoEINPROGRESSCPU 占用等的時候不占一樣不占前提是配合 poll/epoll代碼風(fēng)格線性、易讀事件驅(qū)動、狀態(tài)機一線程能服務(wù)的 fd 數(shù)1每個 fd 一個線程海量配合多路復(fù)用4. EAGAIN不是錯誤是稍后再試EAGAIN跟EWOULDBLOCK在 Linux 上是同一個值11有些 Unix 上不同。代碼里兩個都判斷更穩(wěn)if(errnoEAGAIN||errnoEWOULDBLOCK){...}或者直接用宏#ifndefEWOULDBLOCK#defineEWOULDBLOCKEAGAIN#endif4.1 EAGAIN 的處理選項忙輪詢busy poll立即重試。幾乎從不該這么寫浪費 100% CPU。while(1){ssize_tnread(fd,buf,100);if(n0)break;if(errno!EAGAIN){error;break;}/* spin again */}加 sleep 退避每次失敗 sleep 幾 ms。簡單粗暴延遲大。用多路復(fù)用select/poll/epoll等可讀事件再讀。唯一推薦的方式。5. 非阻塞 多路復(fù)用現(xiàn)代服務(wù)器的標配非阻塞本身沒有意義必須配合多路復(fù)用才發(fā)揮價值偽代碼intepfdepoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);/* 注冊若干非阻塞 fd 到 epfd */while(1){structepoll_eventevs[64];intnepoll_wait(epfd,evs,64,-1);for(inti0;in;i){intfdevs[i].data.fd;if(evs[i].eventsEPOLLIN){/* 可讀循環(huán) read 直到 EAGAIN */while(1){ssize_trread(fd,buf,sizeofbuf);if(r0)handle(fd,buf,r);elseif(r0){close(fd);break;}elseif(errnoEAGAIN)break;else{close(fd);break;}}}}}關(guān)鍵每個 fd 都要讀到 EAGAIN 才停否則下一次 epoll_wait 不一定再觸發(fā)取決于 LT/ET 模式下篇細講。6. 阻塞 vs 非阻塞 選型指南7. 幾個常被搞錯的點7.1 fcntl 改 flags 時要先讀再改/* ? 錯直接覆蓋了所有 flags */fcntl(fd,F_SETFL,O_NONBLOCK);/* ? 對保留其他 flags只加 O_NONBLOCK */intflagsfcntl(fd,F_GETFL);fcntl(fd,F_SETFL,flags|O_NONBLOCK);7.2 dup 出來的 fd 共享 flagsO_NONBLOCK是 file 級的不是 fd 級所以同一個 file 的所有 fd 行為一致intfd1open(...);intfd2dup(fd1);fcntl(fd1,F_SETFL,O_NONBLOCK);/* fd2 也變非阻塞了 */7.3 stdin 別隨便設(shè)非阻塞stdin 跟 stdout、stderr 經(jīng)常是同一個 file終端。給 stdin 設(shè) O_NONBLOCK 會讓 stdout 也變非阻塞printf 行為可能錯亂。要么 dup 一份再改要么用 unlocked stdio。7.4 阻塞模式下也可能短讀ssize_tnread(fd,buf,100);/* n 可能是 50不是 100 */阻塞 read 等到有任何數(shù)據(jù)就返回不一定填滿 buf。循環(huán) read 是必須的這一點跟非阻塞一樣。7.5 connect 非阻塞返回 EINPROGRESS 不是錯誤intrcconnect(s,addr,sizeofaddr);if(rc0){/* 立即成功罕見本機 unix socket 可能*/}elseif(errnoEINPROGRESS){/* 三次握手在進行select/epoll 等可寫事件再用 SO_ERROR 取結(jié)果 */interr;socklen_tlensizeoferr;getsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_ERROR,err,len);if(err0){/* 連接成功 */}else{/* 連接失敗err 是真正的錯誤碼 */}}7.6 SIGPIPE 在兩種模式下都會發(fā)寫關(guān)閉的 socket / pipe 觸發(fā) SIGPIPE跟阻塞/非阻塞無關(guān)。忽略 SIGPIPE 永遠是對的signal(SIGPIPE,SIG_IGN);8. 異步 I/O跟非阻塞的區(qū)別很多人混淆非阻塞和異步。兩者完全不同維度非阻塞異步 (POSIX AIO / io_uring)調(diào)用立即返回成功或 EAGAIN立即返回請求已提交數(shù)據(jù)搬運你自己 read/write內(nèi)核幫你做完成通知配合 epoll 你自己 read完成事件通知信號/cqe模型“Reactor”“Proactor”適用網(wǎng)絡(luò) I/O 主流磁盤 I/Oio_uring 也用于網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典 epoll 風(fēng)格是non-blocking I/O readiness notification不是真正的異步。Linux 的io_uring5.1才是真異步。9. 一個完整對比例子echo server9.1 阻塞版本簡單但每連接一線程void*handle(void*arg){intconn(intptr_t)arg;charbuf[1024];ssize_tn;while((nread(conn,buf,sizeofbuf))0){write(conn,buf,n);}close(conn);returnNULL;}intmain(void){intsrvsocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/* bind listen ... */while(1){intconnaccept(srv,NULL,NULL);/* 阻塞 */pthread_ttid;pthread_create(tid,NULL,handle,(void*)(intptr_t)conn);pthread_detach(tid);}}簡單直觀。但每連接一個線程10K 連接 10K 線程 80MB 棧默認 8MB / 線程一些系統(tǒng)起碼 8KB調(diào)度開銷也大。9.2 非阻塞 epoll 版本C10Kintmain(void){intsrvsocket(AF_INET,SOCK_STREAM|SOCK_NONBLOCK,0);/* bind listen ... */intepfdepoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);structepoll_eventev{.eventsEPOLLIN,.data.fdsrv};epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,srv,ev);while(1){structepoll_eventevs[64];intnepoll_wait(epfd,evs,64,-1);for(inti0;in;i){intfdevs[i].data.fd;if(fdsrv){intconn;while((connaccept4(srv,NULL,NULL,SOCK_NONBLOCK))0){ev.eventsEPOLLIN|EPOLLET;ev.data.fdconn;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,conn,ev);}}else{charbuf[1024];ssize_tr;while((rread(fd,buf,sizeofbuf))0){/* 簡單回寫生產(chǎn)代碼要處理寫不完的情況*/write(fd,buf,r);}if(r0||(r0errno!EAGAIN)){close(fd);}}}}}單線程能扛 10K~100K 連接。代碼復(fù)雜得多要管 fd 狀態(tài)、緩沖、超時等等。10. 總結(jié)選項阻塞 I/O非阻塞 I/O默認? 不設(shè) O_NONBLOCK顯式 O_NONBLOCK編程模型同步線性事件驅(qū)動 / 狀態(tài)機等待方式內(nèi)核讓進程睡用戶層用 epoll適合連接數(shù)小到中大到極大代碼復(fù)雜度低高學(xué)習(xí)曲線平陡經(jīng)驗法則簡單工具 / 客戶端 / 小服務(wù)阻塞 多線程寫得快、跑得穩(wěn)大并發(fā)服務(wù)非阻塞 epollC10K 必備磁盤 IO 性能敏感考慮 io_uring 真正異步