「Linux 系统编程」阻塞与非阻塞、使用 fcntl 设置非阻塞

1 阻塞与非阻塞

阻塞 与 非阻塞 两种模式决定了当一个进程进行 I/O 操作（如读 read、写 write）时，如果资源无法立即被获取，进程会进入 阻塞状态 ，还是 非阻塞 直接返回无数据信息。

产生阻塞的场景：读 设备文件（例如终端、管道）；读 网络文件。（读常规文件无阻塞概念）

1.1 阻塞 I/O

当进程尝试进行一个不能立即完成的 I/O 操作时，进程会被置为 睡眠状态（休眠），直到等待的条件满足（如数据可读、缓冲区可写）或被信号中断。

例如，使用 read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)) 从终端（标准输入）读取数据，如果一直不输入字符，程序会在 read 函数处 停下来，一直等待，直到在终端上实际输入了一些字符并按下回车键。

“停下来等待” 的过程就是 阻塞。进程放弃了 CPU，进入睡眠状态，不会浪费系统资源。

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1.2 非阻塞 I/O

当文件描述符被设置为 非阻塞模式 后，如果 I/O 操作不能立即完成，系统调用（如 read, write）不会阻塞进程，而是 立即返回一个错误码（通常是 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。

例如，终端设置为 非阻塞状态下，使用 read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)) 从终端（标准输入）读取数据，如果一直没有任何输入，read 调用会立刻返回 -1，并 将 errno 设置为 EAGAIN。

此时进程不会被挂起，进程可以继续去做其他事情（比如计算、尝试读取其他文件描述符等），过一会儿再来轮询这个终端是否有数据可读。

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1.3 阻塞与非阻塞对比

特性	阻塞模式 (默认)	非阻塞模式
行为	等待，直到操作完成	立即返回，成功或失败
返回值	成功：读取的字节数；失败：-1	成功：读取的字节数；无数据：-1 (errno=EAGAIN)
进程状态	睡眠（Sleep）	运行（Running）
CPU 占用	等待时不占用 CPU	需要轮询，可能占用更多 CPU
编程复杂度	低（逻辑简单直接）	高（需要循环重试、处理错误）
适用场景	普通顺序执行程序	高性能 I/O 多路复用（如 select, poll, epoll）

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2 打开 /dev/tty 实现终端非阻塞

重新打开终端设备，并指定 O_NONBLOCK 标志，然后用这个新的非阻塞文件描述符替换掉原来的标准输入（0）。

Linux 系统为每个会话分配一个终端设备，可以通过 /dev/tty 这个特殊文件访问当前进程的控制终端。

以 非阻塞只读模式 重新打开这个终端设备，返回一个 新的文件描述符（比如 fd 3）。然后 dup2() 系统调用，将新打开的文件描述符复制到标准输入的文件描述符（0）上。从而 使得文件描述符 0（标准输入）处于非阻塞模式。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(){
    int new_stdin;
    char buf[256];
    ssize_t nbytes;

    // 以非阻塞只读方式重新打开终端文件
    // /dev/tty 是一个特殊文件，总是指向当前进程的控制终端
    // 添加 O_NONBLOCK 参数以非阻塞打开
    new_stdin = open("/dev/tty", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if(new_stdin == -1){
        perror("open /dev/tty failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将新打开的非阻塞终端文件描述符复制到标准输入位置（0）
    // dup2() 关闭旧的 fd 0，然后将 new_stdin 复制到 fd 0 上
    if(dup2(new_stdin, STDIN_FILENO) == -1){
        perror("dup2 failed");
        close(new_stdin);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 此时不再需要 new_stdin，可以直接使用 STDIN_FILENO
    close(new_stdin);

    printf("Standard input has been replaced and is now NON-BLOCKING.\n");

    // 重复 5 次尝试读取
    int i;
    for(i = 0; i < 5; i ++ ){
        nbytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1);
        if(nbytes == -1){
            // 读取失败，判断是不是因为非阻塞导致的“暂无数据”
            if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK){
                printf("Try again\n");
                sleep(3);
            }else{
                perror("read failed");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        }else{
            // 读取成功，在重复尝试期间有数据输入
            buf[nbytes] = '\0';
            break;
        }
    }

    // 判断是否超时
    if(i == 5){ 
        printf("Time out\n");
    }else{
        printf("Read %zd bytes: %s\n", nbytes, buf);
    }

    return 0;
}

在上面的代码中，在将终端设置为非阻塞状态后，重复 5 次尝试读取，每次尝试过后通过 sleep(3) 休息 3 秒。如果当前尝试没有数据，会输出 Try again 然后进行下一次尝试。若中途有数据输入，那么会输出输入的数据；否则直到循环结束，最后超时，输出 Time out。

运行结果如下：

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3 使用 fcntl 实现终端非阻塞

3.1 fcntl 函数

fcntl（file control）是一个非常重要的系统调用，用于对 已打开的文件描述符 进行各种 控制操作，包括 获取或设置文件描述符的状态标志。阻塞与非阻塞属性是这些状态标志之一。

函数原型：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

• fd：要操作的文件描述符。
• cmd：控制命令，指定要执行的操作类型。
• ...：可变参数，根据 cmd 的不同而不同。

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设置非阻塞的命令：

• F_GETFL（Get flags）

  获取文件描述符的当前状态标志（如 O_RDONLY, O_WRONLY, O_NONBLOCK 等）。

  int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
  if(flags == -1){
      perror("fcntl get flags failed");
      exit(EXIT_FAILURE);
  }

• F_SETFL（Set Flags）

  设置文件描述符的状态标志。需要第三个参数，即新的标志值。

  注意：不能直接设置 flags。要先获取当前标志，然后在其基础上按位或 (|) 上需要添加的标志，再设置上去。（标志位中有一些是只读的，直接覆盖会丢失原有信息）

  // 在原有标志的基础上添加非阻塞标志 (O_NONBLOCK)
  int new_flags = flags | O_NONBLOCK;
  if (fcntl(fd, F_SETFL, new_flags) == -1) {
      perror("fcntl set flags failed");
      exit(EXIT_FAILURE);
  }

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3.2 fcntl 实现终端非阻塞

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(){
    char buf[256];
    ssize_t nbytes;

    // 获取当前标准输入的标志
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    if(flags == -1){
        perror("fcntl(F_GETFL) failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 在当前标志的基础上添加 O_NONBLOCK 标志
    if(fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) == -1){
        perror("fcntl(F_SETFL) failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Standard input is now in NON-BLOCKING mode.\n");

    // 重复 5 次尝试读取
    int i;
    for(i = 0; i < 5; i ++ ){
        nbytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1);
        if(nbytes == -1){
            // 读取失败，判断是不是因为非阻塞导致的“暂无数据”
            if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK){
                printf("Try again\n");
                sleep(3);
            }else{
                // 其他错误
                perror("read failed");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        }else{
            // 读取成功，在重复尝试期间有数据输入
            buf[nbytes] = '\0';
            break;
        }
    }

    // 判断是否超时
    if(i == 5){ 
        printf("Time out\n");
    }else{
        printf("Read %zd bytes: %s\n", nbytes, buf);
    }

    return 0;
}

运行结果如下：