Linux中讓終端輸入變為非阻塞的三種方法

介紹

　　在linux下每打開一個終端，系統自動的就打開了三個文件，它們的文件描述符分別為0,1,2，功能分別是“標准輸入”、“標准輸出”和“標准錯誤輸出”，同時對應了三個文件流指針，分別是stdin,stdout和stderr。三個文件描述符定義了對應的宏，分別為STDIN_FILENO,STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO下表為他們的對應關系：

標准輸入	0	STDIN_FILENO	stdin
標准輸出	1	STDOUT_FILENO	stdout
標准錯誤輸出	2	STDERR_FILENO	stderr

　　在程序中通過read從STDIN_FILENO這個文件描述符中讀取數據，實際上就是讀取終端上鍵盤輸入的數據，當然也可以通過fread從stdin這個文件流指針中讀取數據。通過write往STDOUT_FILENO這個文件描述符中寫數據，自然就是往終端輸出數據了。標准錯誤輸出也是往終端輸出，它與標准輸出的區別就是標准輸出是有緩沖的，而標准錯誤輸出是無緩沖的。

　　在程序中可以通過各種辦法從終端讀取鍵盤輸入的數據，有時候會希望調用的函數不阻塞，這里有三種方法可以實現。

1、通過ioctl清除非阻塞標志

　　函數原型：

　　　　int ioctl(int d, int request, ...);

　　參數：

　　　　d：文件描述符

　　　　request：功能碼。根據填寫的功能碼選擇第三個參數。

　　返回：

　　　　成功返回0，失敗返回-1。但是也有一部分功能返回的是一個數值。

　　ioctl函數是一個萬能函數，這里不詳細解釋。

　　傳入的第二個參數為FIONBIO表示“設置/清除非阻塞標志”，那么第三個參數要傳入一個int類型的指針，指針指向的值為1表示設置非阻塞標志，那么對應的文件描述符為非阻塞，指針指向的值為0表示清除非阻塞標志，那么對應的文件描述符為阻塞，簡單的說就是“0就阻塞，1就非阻塞”

　　因此調用如下代碼即可實現非阻塞：

int attr = 1;
ioctl(STDIN_FILENO, FIONBIO, &attr);   /* 清除非阻塞標志 */

　　通過該方法設置完成之后，在沒有數據的情況下調用read函數將返回-1。

　　完整測試代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    int attr = 1;
    
    ioctl(STDIN_FILENO, FIONBIO, &attr);   /* 清除非阻塞標志 */
   
    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);  /* 如果不相信read變成了非阻塞可以去掉本行注釋 */
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

2、通過fcntl設置非阻塞標志

　　函數原型：

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

　　參數：

　　　　fd：文件描述符。

　　　　cmd：功能碼。根據填寫的功能碼選擇第三個參數。

　　返回：

　　　　根據不同的功能決定。

　　fcntl函數與ioctl函數看上去有很多相似性，實際上這兩個函數確實有很多功能是重疊的。

　　如果要通過fcntl讓文件不阻塞，那么需要知道兩個功能碼：

　　F_GETFL：取得fd的文件狀態標志,如同下面的描述一樣(arg被忽略)                    

       F_SETFL：設置給arg描述符狀態標志,可以更改的幾個標志是：O_APPEND， O_NONBLOCK，O_SYNC和O_ASYNC。

　　很明顯非阻塞標志是O_NONBLOCK，調用下列代碼就可以實現非阻塞：

int attr = 0;
    
attr = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
attr |= O_NONBLOCK;
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, attr);

　　通過該方法設置完成之后，在沒有數據的情況下調用read函數將返回-1。

　　完整測試代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    int attr = 0;
    
    /* 設置 O_NONBLOCK屬性 */
    attr = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    attr |= O_NONBLOCK;
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, attr);
   
    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);  /* 如果不相信read變成了非阻塞可以去掉本行注釋 */
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

3、通過設置termios實現

　　termios是一個結構體，詳細介紹可以參見這篇博客：https://www.cnblogs.com/dartagnan/archive/2013/04/25/3042417.html

　　需要用到的函數有tcgetattr和tcsetattr，這兩個函數的用法在這篇博客中有介紹：https://www.cnblogs.com/Suzkfly/p/11055532.html

　　操作流程就是先用tcgetattr獲取文件屬性，修改屬性之后再用tcsetattr設置進去，關鍵代碼如下：

    tcgetattr(STDIN_FILENO, &attr);
    attr.c_cc[VTIME] = 0;
    attr.c_cc[VMIN] = 0;
    attr.c_lflag &= ~ICANON;        /* 禁用規范輸入模式 */
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &attr);

　　經過測試，attr.c_lflag &= ~ICANON;這一句一定要寫，原因我也不知道，但是寫了這句話會帶來某些問題，在最后進行分析。

　　將attr.c_cc[VTIME]和attr.c_cc[VMIN]的值都設置為0。attr.c_cc[VTIME]和attr.c_cc[VMIN]共同決定了read函數的返回時機。表示讀阻塞時間，單位是1/10秒。

　　如果經過了c_cc[VTIME]這么長時間，緩沖區內有數據，但是還沒達到c_cc[VMIN]個數據，read也會返回。而如果當緩沖區內有了c_cc[VMIN]個數據時，無論等待時間是否到了c_cc[VTIME]，read都會返回，但返回值可能比c_cc[VMIN]還大，根據實際數據量而定。如果將c_cc[VMIN]的值設置為0，那么當經過c_cc[VTIME]時間后read也會返回，返回值為0。如果將c_cc[VTIME]和c_cc[VMIN]都設置為0，那么程序運行的效果與設置O_NONBLOCK類似，不同的是如果設置了O_NONBLOCK，那么在沒有數據時read返回-1，而如果沒有設置O_NONBLOCK，那么在沒有數據時read返回的是0。

　　完整測試代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h> 

int main(int argc, const char *argv[])
{
    int port = 0;
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int total = 0;
    struct termios attr;
      
    tcgetattr(STDIN_FILENO, &attr);
    attr.c_cc[VTIME] = 0;
    attr.c_cc[VMIN] = 0;
    attr.c_lflag &= ~ICANON;        /* 禁用規范輸入模式 */
    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &attr);

    while (1) {
        len = read(STDIN_FILENO, &buf[total], sizeof(buf) - total);
        //printf("len = %d\n", len);
        if (len > 0) {
            total += len;
            if (buf[total - 1] == '\n') {
                printf("total = %d\n", total);
                printf("buf = %s\n", buf);     
                total = 0;
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
            }
        }
    }

    return 0;
}

4、分析總結

　　特別要注意的一點是，在測試的時候，如果你不知道你的操作會產生什么結果，在下次測試之前一定要重新開一個終端，因為如果終端沒有結束的話，就表示文件沒有關閉，即使程序退出了，之前的設置也是會保存的。

　　通過這三種方法都實現了設置屬性為非阻塞，其實第一和第二種方法是一樣的，第三種方法由於禁用了規范輸入模式，會帶來某些問題。所謂規范輸入模式就是對某些特殊的鍵會產生特殊的效果，比如退格鍵應該回刪一個字符，但通過第三種方法會將退格鍵也當成一個字符讀取進去了。比如，在終端輸入“abc”再輸入一個退格，然后按回車，通過第一和第二種方法會接收到“ab\n”三個字符，而通過第三種方法則會收到“abc”+“退格”+“\n”5個字符。

　　第一和第二種方法雖然read不會阻塞，但是並不是說只要通過鍵盤輸入了數據，它就能讀到數據，即使通過鍵盤輸入了一些數據，read函數返回的還是-1，直到按下回車鍵為止。