Linux 平台 C/C++ 開發基礎 (二)：I/O 模型深度解析

Unix 哲學：一切皆檔案

磁碟檔案、終端機、Socket、管道、裝置... 統一以 檔案描述符 (File Descriptor, FD) 代表，操作介面統一：read, write, close, ioctl。

Unbuffered I/O (系統呼叫層) vs Buffered I/O (標準庫層)

核心系統呼叫原型

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  // 成功>0 返回讀取位元組數，0=EOF，-1=錯誤
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); // 成功>0 返回寫入位元組數，-1=錯誤

正確讀寫迴圈模式 (處理短讀/短寫)

// 完整讀取 n 位元組
ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t n) {
    size_t left = n; char *p = buf;
    while (left > 0) {
        ssize_t r = read(fd, p, left);
        if (r < 0) { if (errno == EINTR) continue; return -1; }
        if (r == 0) break; // EOF
        left -= r; p += r;
    }
    return n - left;
}

// 完整寫入 n 位元組
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t n) {
    size_t left = n; const char *p = buf;
    while (left > 0) {
        ssize_t w = write(fd, p, left);
        if (w < 0) { if (errno == EINTR) continue; return -1; }
        left -= w; p += w;
    }
    return n;
}

三大 I/O 多工模型

1. Blocking I/O：預設模式。read 無資料時阻塞執行緒。簡單但併發需多執行緒/多行程，資源消耗大
2. Non-blocking I/O：fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)。read 無資料立即返回 EAGAIN/EWOULDBLOCK。需輪詢，CPU 佔用高
3. I/O 多路復用：select, poll, epoll (Linux)、kqueue (BSD/macOS)、IOCP (Windows)。單執行緒監控成千上萬 FD，就緒時才處理。高併發伺服器標準架構

Socket 阻塞模式下的執行緒模型

每連線一執行緒：accept → 建立執行緒 → 執行緒循環 read 處理業務。連線數大時執行緒切換開銷成為瓶頸 → 引入 I/O 多路復用 + 執行緒池 (Reactor/Proactor 模式)。

下一步預告

行程控制 (fork, exec, waitpid, 訊號處理)、執行緒同步 (mutex, condvar, rwlock)、鎖自由程式設計。敬請期待。