异步通知example+fcntl

1，异步通知

异步通知的意思是： 一旦设备就绪， 则主动通知应用程序， 这样应用程序根本就不需要查询设备状态， 这一点非常类似于硬件上“中断”的概念， 比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟， 在原理上， 一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。 信号是异步的， 一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达， 事实上， 进程也不知道信号到底什么时候到达。阻塞I/O意味着一直等待设备可访问后再访问， 非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问， 而异步通知则意味着设备通知用户自身可访问， 之后用户再进行I/O处理,即：由驱动发起，主动通知应用程序。 由此可见， 这几种I/O方式可以相互补充。

下面三张图分别呈现了阻塞I/O， 结合轮询的非阻塞I/O及基于SIGIO的异步通知在时间先后顺序上的不同：

2，example

include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_LEN 100
//信号SIGIO的处理函数
void input_handler(int num)
{
    char data[MAX_LEN];
    int len;

    /* 读取并输出STDIN_FILENO上的输入 */
    len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);
    data[len] = 0;
    printf("input available: %s\n", data);
}

void main()
{
    int oflags;

    /* 启动信号驱动机制 */
    signal(SIGIO, input_handler);
    //设置本进程为STDIN_FILENO文件的拥有者，没有这一步内核不会知道应该将信号发送给哪个进程
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());
    //获得文件的状态标志
    oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    //启动异步通知机制
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);

    while(1);
}

由此可见，为了在用户空间中能处理一个设备释放的信号，它必须完成3项工作

(1)通过F_SETOWN IO控制命令设置设备文件的拥有者为本进程，这样从设备驱动发出的信号才能被本进程接收到。

(2)通过F_SETFL IO控制命令设置设备文件支持FASYNC，即异步通知机制。

(3)通过signal()函数连接信号和信号处理函数。

注：【fcntl系统调用】  
   
功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性。
 
用法：  
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
 
 
参数：  
fd：文件描述词。
cmd：操作命令。
arg：供命令使用的参数。
lock：同上。

有以下操作命令可供使用

F_GETFL ：读取文件状态标志。

F_SETFL ：设置文件状态标志。

F_GETOWN：获取当前在文件描述词 fd上接收到SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。
F_SETOWN：设置将要在文件描述词fd上接收SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识

2，fcntl

功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性。

文件控制函数          fcntl -- file control
头文件：

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

函数原型：          

int fcntl(int fd, int cmd);

int fcntl(int fd, int cmd, long arg);         

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

描述：

           fcntl()针对(文件)描述符提供控制.参数fd是被参数cmd操作(如下面的描述)的描述符.            

　　　　针对cmd的值,fcntl能够接受第三个参数（arg）

fcntl函数有5种功能：

　　　　 1.复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.

　　       2.获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).

            3.获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).

            4.获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).

            5.获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

 cmd 选项：

            F_DUPFD      返回一个如下描述的(文件)描述符:                            

         　　　　　　　　　　（1）最小的大于或等于arg的一个可用的描述符                          

   　　　　　　　　　　　　（2）与原始操作符一样的某对象的引用               

            　　　　　　　　  （3）如果对象是文件(file)的话,返回一个新的描述符,这个描述符与arg共享相同的偏移量(offset)                    

　　　　　　　　　　　　   （4）相同的访问模式(读,写或读/写)                          

　　　　　　　　　　　　　（5）相同的文件状态标志(如:两个文件描述符共享相同的状态标志)                            

　　　　　　　　　　　　　（6）与新的文件描述符结合在一起的close-on-exec标志被设置成交叉式访问execve(2)的系统调用                     

             F_GETFD     取得与文件描述符fd联合close-on-exec标志,类似FD_CLOEXEC.如果返回值和FD_CLOEXEC进行与运算结果是0的话,文件保持交叉式访问exec(),　　　　　　                      否则如果通过exec运行的话,文件将被关闭(arg被忽略)                  

             F_SETFD     设置close-on-exec旗标。该旗标以参数arg的FD_CLOEXEC位决定。                   

             F_GETFL     取得fd的文件状态标志,如同下面的描述一样(arg被忽略)                    

             F_SETFL     设置给arg描述符状态标志,可以更改的几个标志是：O_APPEND， O_NONBLOCK，O_SYNC和O_ASYNC。
             F_GETOWN 取得当前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id返回成负值(arg被忽略)                    

             F_SETOWN 设置将接收SIGIO和SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id通过提供负值的arg来说明,否则,arg将被认为是进程id
              

命令字(cmd)F_GETFL和F_SETFL的标志如下面的描述:            

             O_NONBLOCK        非阻塞I/O;如果read(2)调用没有可读取的数据,或者如果write(2)操作将阻塞,read或write调用返回-1和EAGAIN错误               　　　　       　　O_APPEND             强制每次写(write)操作都添加在文件大的末尾,相当于open(2)的O_APPEND标志         

             O_DIRECT             最小化或去掉reading和writing的缓存影响.系统将企图避免缓存你的读或写的数据.

                             如果不能够避免缓存,那么它将最小化已经被缓存了的数 据造成的影响.如果这个标志用的不够好,将大大的降低性能                      

             O_ASYNC              当I/O可用的时候,允许SIGIO信号发送到进程组,例如:当有数据可以读的时候

 注意：      在修改文件描述符标志或文件状态标志时必须谨慎，先要取得现在的标志值，然后按照希望修改它，最后设置新标志值。不能只是执行F_SETFD或F_SETFL命令，这样会关闭以前设置的标志位。

fcntl的返回值：  与命令有关。如果出错，所有命令都返回－1，如果成功则返回某个其他值。下列三个命令有特定返回值：F_DUPFD,F_GETFD,F_GETFL以及F_GETOWN。第一个返回新的文件描述符，第二个返回相应标志，最后一个返回一个正的进程ID或负的进程组ID。

一：第一种类似于dup操作，在这里不做举例。（fcnlt(oldfd, F_DUPFD, 0) <==>dup2(oldfd, newfd)）

二：设置close-on-exec旗标

在此函数中创建子进程，调用execl

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    //以追加的形式打开文件
    int fd = fd = open("test.txt", O_TRUNC | O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0777);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    printf("fd = %d\n", fd);

    fcntl(fd, F_SETFD, 0);//关闭fd的close-on-exec标志

    write(fd, "hello c program\n", strlen("hello c program!\n"));

    pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
            perror("fork");
            return -1;
    }
    if(pid == 0)
    {
        printf("fd = %d\n", fd);

        int ret = execl("./main", "./main", (char *)&fd, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("execl");
            exit(-1);
        }
        exit(0);
    }

    wait(NULL);

    write(fd, "hello c++ program!\n", strlen("hello c++ program!\n"));

    close(fd);

    return 0;
}

View Code

main测试函数

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd = (int)(*argv[1]);//描述符

    printf("fd = %d\n", fd);

    int ret = write(fd, "hello linux\n", strlen("hello linux\n"));
    if(ret < 0)
    {
        perror("write");
        return -1;
    }

    close(fd);

    return 0;
}

View Code

执行后文件结果：

[root@centOS5 class_2]# cat test.txt
hello c program
hello linux
hello c++ program!

View Code

三：用命令F_GETFL和F_SETFL设置文件标志，比如阻塞与非阻塞

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

/**********************使能非阻塞I/O********************
*int flags;
*if(flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0) < 0)
*{
*    perror("fcntl");
*    return -1;
*}
*flags |= O_NONBLOCK;
*if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
*{
*    perror("fcntl");
*    return -1;
*}
*******************************************************/

/**********************关闭非阻塞I/O******************
flags &= ~O_NONBLOCK;
if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
{
    perror("fcntl");
    return -1;
}
*******************************************************/

int main()
{
    char buf[10] = {0};
    int ret;
    int flags;

    //使用非阻塞io
    if(flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0) < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }
    flags |= O_NONBLOCK;
    if(fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }

    while(1)
    {
        sleep(2);
        ret = read(STDIN_FILENO, buf, 9);
        if(ret == 0)
        {
            perror("read--no");
        }
        else
        {
            printf("read = %d\n", ret);
        }

        write(STDOUT_FILENO, buf, 10);
        memset(buf, 0, 10);
    }

    return 0;
}

View Code

五：设置获取记录锁

结构体flock的指针：

struct flcok

{

　　 short int l_type; /* 锁定的状态*/

　　　　//这三个参数用于分段对文件加锁，若对整个文件加锁，则：l_whence=SEEK_SET,l_start=0,l_len=0;

　　 short int l_whence;/*决定l_start位置*/

　　 off_t l_start; /*锁定区域的开头位置*/

　　 off_t l_len; /*锁定区域的大小*/

　　 pid_t l_pid; /*锁定动作的进程*/

};

l_type 有三种状态:

　　 F_RDLCK 建立一个供读取用的锁定

　　 F_WRLCK 建立一个供写入用的锁定

       F_UNLCK 删除之前建立的锁定

l_whence 也有三种方式:

　　SEEK_SET 以文件开头为锁定的起始位置。

     SEEK_CUR 以目前文件读写位置为锁定的起始位置

     SEEK_END 以文件结尾为锁定的起始位置。

#include "filelock.h"

/* 设置一把读锁 */
int readLock(int fd, short start, short whence, short len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_RDLCK;
    lock.l_start = start;
    lock.l_whence = whence;//SEEK_CUR,SEEK_SET,SEEK_END
    lock.l_len = len;
    lock.l_pid = getpid();
//  阻塞方式加锁
    if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0)
        return 1;

    return 0;
}

/* 设置一把读锁 , 不等待 */
int readLocknw(int fd, short start, short whence, short len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_RDLCK;
    lock.l_start = start;
    lock.l_whence = whence;//SEEK_CUR,SEEK_SET,SEEK_END
    lock.l_len = len;
    lock.l_pid = getpid();
//  非阻塞方式加锁
    if(fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == 0)
        return 1;

    return 0;
}
/* 设置一把写锁 */
int writeLock(int fd, short start, short whence, short len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_start = start;
    lock.l_whence = whence;
    lock.l_len = len;
    lock.l_pid = getpid();

    //阻塞方式加锁
    if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0)
        return 1;

    return 0;
}

/* 设置一把写锁 */
int writeLocknw(int fd, short start, short whence, short len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_start = start;
    lock.l_whence = whence;
    lock.l_len = len;
    lock.l_pid = getpid();

    //非阻塞方式加锁
    if(fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == 0)
        return 1;

    return 0;
}

/* 解锁 */
int unlock(int fd, short start, short whence, short len)
{
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_UNLCK;
    lock.l_start = start;
    lock.l_whence = whence;
    lock.l_len = len;
    lock.l_pid = getpid();

    if(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == 0)
        return 1;

    return 0;
}

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3，STDIN_FILENO

1.STDIN_FILENO的作用
STDIN_FILENO属于系统API接口库，其声明为 int 型，是一个打开文件句柄，对应的函数主要包括 open/read/write/close 等系统级调用。

操作系统一级提供的文件API都是以文件描述符来表示文件。STDIN_FILENO就是标准输入设备（一般是键盘）的文件描述符。

2.区别

1）数据类型不一致：
stdin类型为 FILE*
STDIN_FILENO类型为 int
使用stdin的函数主要有：fread、fwrite、fclose等，基本上都以f开头
使用STDIN_FILENO的函数有：read、write、close等
2）stdin等是FILE *类型，属于标准I/O，高级的输入输出函数。在<stdio.h>。
STDIN_FILENO等是文件描述符，是非负整数，一般定义为0, 1, 2，属于没有buffer的I/O，直接调用系统调用，在<unistd.h>。

3）STDIN_FILENO 是标准输入的文件描述符
详见/usr/include/unistd.h
代码:
/* Standard file descriptors. */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO 1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO 2 /* Standard error output. */

4）层次不一样。STDIN 属于标准库处理的输入流，其声明为 FILE 型的，对应的函数前面都有f开头，如fopen/fread/fwrite/fclose 标准库调用等
STDIN_FILENO属于系统API接口库，其声明为 int 型，是一个打开文件句柄，对应的函数主要包括 open/read/write/close 等系统级调用。

标准库内封装了系统 API 调用，如 fread 内部实现调用 read。

5）操作系统一级提供的文件API都是以文件描述符来表示文件。STDIN_FILENO就是标准输入设备（一般是键盘）的文件描述符。

6）曾经很纳闷，为什么一个整形fd（STDIN_FILENO=0）就可以代表一个打开的文件呢？
后来明白了，和我们的手机号是类似的，手机号只是一个9位数的整形，但是在移动通话网络里，它就可以用来区分不同的手机终端。
标准C++一级提供的文件操作函数库都是用FILE*来表示文件，stdin就是指向标准输入设备文件的FILE*。

参考：使用信号实现异步通知机制的例子 - 爱生活，爱编程 - 博客园 (cnblogs.com)

你真的懂Linux内核中的阻塞和异步通知机制吗？（花了五天整理，墙裂推荐！） - 知乎 (zhihu.com)

彻底弄懂Linux驱动中的异步通知的概念和作用 - 知乎 (zhihu.com)

STDIN_FILENO的作用及与stdin 的区别_深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA的博客-CSDN博客

Linux fcntl函数详解 - 夕相待 - 博客园 (cnblogs.com)

fcntl(2) - Linux manual page (man7.org)

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