IO 零 copy：writev() 和 readv()

BigTopOne
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writev() 和 readv() 是 UNIX/Linux 系统中用于分散/聚集 I/O (scatter/gather I/O) 的系统调用，它们允许程序在一次系统调用中从多个缓冲区读取或写入数据。

1. writev() - 聚集写入

  • 功能

    • writev() 将多个缓冲区的数据聚集起来，然后一次性写入文件描述符。

  • 函数原型 c

#include <sys/uio.h>

ssize_t writev(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);

  • 参数说明

    • fd: 文件描述符

    • iov: 指向 iovec 结构体数组的指针

    • iovcnt: iov 数组中的元素个数

  • iovec 结构体 c

struct iovec {
void  *iov_base;  /* 缓冲区起始地址 */
size_t iov_len;   /* 缓冲区长度 */
};

  • 返回值

    • 成功时返回写入的总字节数

    • 失败时返回 -1 并设置 errno

  • 示例 c

struct iovec iov[3];
char *part1 = "Header: ";
char *part2 = "Body content";
char *part3 = "\nFooter";

iov[0].iov_base = part1;
iov[0].iov_len = strlen(part1);
iov[1].iov_base = part2;
iov[1].iov_len = strlen(part2);
iov[2].iov_base = part3;
iov[2].iov_len = strlen(part3);

ssize_t nwritten = writev(fd, iov, 3);
  • 优势
    • 减少系统调用次数（将多次 write() 合并为一次 writev()）
    • 提高I/O效率，特别是对于网络套接字

2. readv() - 分散读取

  • 功能

    • readv() 从文件描述符读取数据并分散存储到多个缓冲区中。

  • 函数原型

#include <sys/uio.h>

ssize_t readv(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);

  • 参数说明

    • 与 writev() 相同

  • 返回值

    • 成功时返回读取的总字节数
    • 到达文件末尾返回 0
    • 失败时返回 -1 并设置 errno

  • 示例

struct iovec iov[2];
char header[10];
char body[1024];

iov[0].iov_base = header;
iov[0].iov_len = sizeof(header);
iov[1].iov_base = body;
iov[1].iov_len = sizeof(body);

ssize_t nread = readv(fd, iov, 2);
  • 优势
    • 可以一次性读取数据到多个缓冲区
    • 适用于需要按固定格式解析数据的场景

3. 应用场景

  • 网络编程

    • 发送HTTP响应头和数据体
    • 处理固定格式的网络协议

  • 文件I/O

    • 同时读取文件的多个部分到不同缓冲区
    • 将多个数据结构一次性写入文件

  • 性能优化

    • 减少系统调用次数
    • 避免不必要的数据拷贝（相比先合并再发送）

4. 注意事项

  • 原子性：对于普通文件，writev() 是原子的（要么全部写入成功，要么全部失败）
  • 顺序性：数据按 iov 数组顺序处理
  • 缓冲区限制：Linux 中 iovcnt 的最大值通常为 1024 (IOV_MAX)
  • 部分写入/读取：可能只处理部分数据，需要检查返回值

v5. 与传统 I/O 的比较

特性 write()/read() writev()/readv() 缓冲区 单个 多个 系统调用次数 多 少 数据拷贝 可能需要合并 直接操作 适用场景 简单I/O 结构化I/O writev() 和 readv() 特别适合需要处理多个不连续缓冲区的场景，是高性能网络编程中的重要工具。

特性write()/read()writev()/readv()
缓冲区单个多个
系统调用次数多少
数据拷贝可能需要合并直接操作
适用场景简单I/O结构化I/O
  • writev() 和 readv() 特别适合需要处理多个不连续缓冲区的场景，是高性能网络编程中的重要工具。
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