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Linux驱动开发学习笔记

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Linux-File（文件写入）

​ 对于write函数，我们认为该函数一旦返回，数据便已经写到了文件中。但是这种概念只是宏观上的，一般情况下，对硬盘（或者其他持久存储设备）文件的write操作，更新的只是内存中的页缓存（page cache），而脏页不会立即更新到硬盘中，而是由操作系统统一调度，如flusher内核线程在满足一定条件时（一定时间间隔、内存中的脏页达到一定比例）将脏页面同步到硬盘上（放入设备的IO请求队列）。因为write调用不会等到硬盘IO完成之后才返回，设想如果操作系统在write调用之后、硬盘同步之前崩溃，则数据可能丢失。虽然这样的时间窗口很小，但是对于需要保证事务的持久化（durability）和一致性（consistency）的数据库程序来说，write()所提供的“松散的异步语义”是不够的，通常需要操作系统提供的同步IO（synchronized-IO）原语来保证：

​ Linux、unix在内核中设有缓冲区、高速缓冲或页面高速缓冲，大多数磁盘I/O都通过缓冲进行，采用延迟写技术。
sync：将所有修改过的快缓存区排入写队列，然后返回，并不等待实际写磁盘操作结束；
fsync：只对有文件描述符制定的单一文件起作用，并且等待些磁盘操作结束，然后返回；
fdatasync：类似fsync，但它只影响文件的数据部分。fsync还会同步更新文件的属性；
fflush：标准I/O函数（如：fread，fwrite）会在内存建立缓冲，该函数刷新内存缓冲，将内容写入内核缓冲，要想将其写入磁盘，还需要调用fsync。（先调用fflush后调用fsync，否则不起作用）。

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pFile = fopen(pFilePath, "wb");
if (NULL == pFile)
{
    return FAILURE;
}
res = fwrite(aValStr, 1, strlen(aValStr), pFile); 
if(res != strlen(aValStr))
{
    return FAILURE;
}
fflush(pFile);          //刷新缓冲区，强制缓冲区文件内容写入内核缓冲
fsync(fileno(pFile));   //同步内存中已修改的对应fd的文件数据到设备存储
                        //fileno()用于返回文件流对应的文件描述符fd
fclose(pFile);

Linux-Net（五种IO模型）

阻塞IO模型

  • 当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。

非阻塞IO模型

  • 当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。
  • 所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU，如果在while循环体中一直去询问内核数据是否就绪，就会导致CPU占用率非常高。

多路复用IO模型

  • 在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。
  • 也许有朋友会说，我可以采用 多线程+ 阻塞IO 达到类似的效果，但是由于在多线程 + 阻塞IO 中，每个socket对应一个线程，这样会造成很大的资源占用，并且尤其是对于长连接来说，线程的资源一直不会释放，如果后面陆续有很多连接的话，就会造成性能上的瓶颈。
  • 不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。（才用多线程或线程池的方式来轮询和处理时间可解决）

信号驱动IO模型

  • 在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

异步IO模型

  • 异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它收到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要知道实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。
  • 也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。
  • 前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。