C C++最全高级IO_io高级面试题(1)，2024年最新社招面试心得_c++文件io面试题

网上学习资料一大堆，但如果学到的知识不成体系，遇到问题时只是浅尝辄止，不再深入研究，那么很难做到真正的技术提升。

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####  二 . 五种IO模型：




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1. IO模型分类：同步IO 和 异步IO

2. 同步IO包括：
   （1）阻塞式I/O；

   （2）非阻塞I/O；

   （3）I/O多路转接（select poll epoll）;也叫 I/O多路复用

   （4）信号驱动I/O（SIGIO）；

3. 同步IO 和 异步IO的区别：

   首先我们关注的是：消息通信机制

   同步IO : 发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回
   自己等自己进行数据拷贝

   异步IO ：发出一个调用，这个调用就直接返回了
   1. 自己不等也不进行数据拷贝
   2. 自己只是实现了发起和接受返回

4. 阻塞IO 和 非阻塞IO 的区别：

   关注的是：等待调用结果时的状态

   阻塞IO : 在内核数据准备好之前，系统调用会一直等待。

   非阻塞IO ：在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

####1、阻塞IO  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/2018070818230693?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTQxNDcx/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)



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在linux中，默认情况下所有的socket都是阻塞的；
在内核数据准备好之前，系统调用会一直等待。

具体流程如下：

（1）当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：
准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。
比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。
这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。
而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。
（2）当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，
然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

####2、非阻塞IO  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/20180708182657682?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTQxNDcx/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)



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如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，
并且返回EWOULDBLOCK错误码。

轮询 ：非阻塞IO往往需要程序员用循环的方式去反复尝试读写文件描述符
这个过程就是轮询

1. 一般非阻塞IO方式有两种：

   1. 调用非阻塞接口

   2. 将文件描述符设置为非阻塞的

2. 具体执行过程如下：

（1）当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，
那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。
（2）从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果
用户进程判断结果是一个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（这个反复尝试读写文件描述符的过程称为轮询）。
（3）一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，
那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

####3、信号驱动IO  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/20180708184113543?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTQxNDcx/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)



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内核将数据准备好之后，使用SIGIO信号通知程序进行IO操作

其具体过程如下：

（1）首先开启套接口信号驱动I/O功能，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数
（此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的）。

（2）当数据准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调
通知应用程序调用recvfrom来读取数据，并通知主循环函数处理数据。

####4、异步IO


![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/20180708183644141?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTQxNDcx/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)



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由内核在数据完成拷贝时，通知应用程序。

流程图如下：

（1）用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。
（2）而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，
首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。
（3）然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，
kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

#### 5. 异步IO和信号驱动IO的区别 :



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信号驱动I/O : 由内核通知我们何时可以开始一个I/O操作；

异步I/O : 由内核通知我们I/O操作何时已经完成。

一个是开始IO,一个是IO已经完成。

####  6 . IO多路转接：




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![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/20180708183859596?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTQxNDcx/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)  
 ####1. IO多路转接的作用—提高效率：



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在数据通信过程中，分为两部分：
1. 是等待数据到达内核；
2. 是将数据从内核拷贝到用户区。
而往往在实际应用中，等待的时间往往比拷贝的时间多，所以我们如果想要提高效率；
必然就是要将等的时间减少（在一定的时间内，减少等待的比重）

1. 这个时候，IO多路转接就是解决这个问题的：一次监视多个文件描述符
   在IO多路转接中，由于一次等待多个文件描述符，
   在单位时内就绪事件发生的概率就越大，所以等的比重就会越小。

2. 而这里我们会有一个问题：监视的文件描述符返回条件是什么？
   答: 1. 监视的文件描述符都有自己要关注的事件（读/写/异常事件
   2. 返回条件就是：我们所监视（关心）的文件描述符的事件至少一个已经就绪

3. IO多路转接的实现方式：

   1. select
   2. poll
   3. epoll等
      当然还有好多，具体下面我们来讲一下这三种实现方式以及之间的关系！

#####  2. select模型及实现select版本的TCP服务器 ：


https://blog.csdn.net/qq\_37941471/article/details/80954592




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#####  3. poll模型及实现poll版本的TCP服务器 ：


https://blog.csdn.net/qq\_37941471/article/details/80962592




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#####  4. epoll模型及实现epoll版本的http服务器 ：


https://blog.csdn.net/qq\_37941471/article/details/80979422


#####  4. select poll epoll 三者之间的优缺点对比：



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下面我讲一下我对select poll epoll的理解：

首先这三个都是实现 IO多路转接 的方式：一个进程同时监视多个文件描述符
也就是三者之间的共同优点

1. select

   缺点：

   1. 代码编写复杂，维护起来较麻烦

   2. 每次调用select,都需要重新设置文件描述符（从用户态拷贝到内核态），开销大
      为什么需要重新设置？
      因为select的输入输出都调用的是同一个函数select，并且输入和输出
      是单独作为参数的这个时候我们就需要用一个第三方数组来保存之前的
      所关心的文件描述符，以便进行select返回后，和fdset进行FDISSET
      判断哪一个所监听的描述符哪个就绪，进行accept操作，并且方便下一次监听

   3. 使用过程中，从内核遍历文件描述符，当fd很多的时候，则会开销很大

      需要以轮询的方式去获取就绪的文件描述符

   4. 能够接收的文件描述符有上限
      因为有第三方数组去维护，而这个数组开的最大空间就是：sizeof(fd_set)*8
      一般的操作系统，默认的是1024（一个bit位表示一个文件描述符
      （因为fd_set的底层是一个位图））

2. poll

   优点 ：

   1. select的输入输出都是调用一个函数，参数是分开的，用位图来描述，
      使用起来开销会比较大；而poll使用一个pollfd的结构体来实现的
   2. 解决了select能处理的文件描述符有上限的问题
      因为poll解决了selec输入输出参数分开的问题，进而当然不需要再用第三方数组

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