structiovec：A Complete Guide to Using structiovec

一、簡介

structiovec是一個在C語言中常用的數據結構，用於實現分散/聚集I/O。該結構體將多個緩衝區封裝成一個向量，使得可以一次性地將向量中的多個緩衝區內容寫入或從文件中讀取。

structiovec由兩個成員變量組成：一個指針（iov_base）和一個長度（iov_len）。iov_base指向一個緩衝區的地址，iov_len表示此緩衝區的長度。對於每個向量，可以指定多個緩衝區，每個緩衝區由一個struct iovec結構體來表示。

使用structiovec的好處包括：簡化代碼、提高效率、兼容性強，因此值得我們在實踐中深入了解。

二、聚集I/O

聚集I/O用於將多個緩衝區中的數據讀取或寫入到單個文件中。使用聚集I/O的好處在於可以減少系統調用的次數，提高效率。structiovec中的成員變量iov_base指向一個緩衝區的地址，iov_len表示此緩衝區的長度。對於每個向量，可以指定多個緩衝區，每個緩衝區由一個struct iovec結構體來表示。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/uio.h>

int main()
{
    struct iovec iov[3];
    char buf1[] = "Data from";
    char buf2[] = " multiple";
    char buf3[] = " buffers.";

    iov[0].iov_base = buf1;
    iov[0].iov_len = strlen(buf1);
    iov[1].iov_base = buf2;
    iov[1].iov_len = strlen(buf2);
    iov[2].iov_base = buf3;
    iov[2].iov_len = strlen(buf3);

    ssize_t nwritten = writev(STDOUT_FILENO, iov, 3);
    printf("%d bytes written\n", nwritten);
    return 0;
}

在上述代碼中，我們定義了3個緩衝區buf1、buf2、buf3，然後將它們封裝進一個向量iov中，並使用writev函數將向量中的所有緩衝區內容一次性地寫入STDOUT_FILENO中。

三、分散I/O

分散I/O用於從單個文件中讀取數據到多個緩衝區中。使用分散I/O的好處在於可以減少系統調用的次數，提高效率。structiovec中的成員變量iov_base指向一個緩衝區的地址，iov_len表示此緩衝區的長度。對於每個向量，可以指定多個緩衝區，每個緩衝區由一個struct iovec結構體來表示。

#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>

int main()
{
    struct iovec iov[3];
    char buf1[5];
    char buf2[5];
    char buf3[5];

    iov[0].iov_base = buf1;
    iov[0].iov_len = sizeof(buf1);
    iov[1].iov_base = buf2;
    iov[1].iov_len = sizeof(buf2);
    iov[2].iov_base = buf3;
    iov[2].iov_len = sizeof(buf3);

    ssize_t nread = readv(STDIN_FILENO, iov, 3);

    printf("%d bytes read: %s%s%s\n", nread, buf1, buf2, buf3);

    return 0;
}

在上述代碼中，我們定義了3個緩衝區buf1、buf2、buf3，並將它們封裝進一個向量iov中，然後使用readv函數將STDIN_FILENO中的內容一次性地讀取到各個緩衝區中。

四、使用結構體數組來實現分散/聚集I/O

可以使用結構體數組來實現分散/聚集I/O功能。這種方法的好處在於：可以預定義一組緩衝區並使用它們來讀取和寫入數據（常用於網絡編程中）。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/uio.h>

struct myiovec {
    char *iov_base;
    size_t iov_len;
};

int main()
{
    struct myiovec iov[3];
    char buf1[] = "Data from";
    char buf2[] = " multiple";
    char buf3[] = " buffers.";

    iov[0].iov_base = buf1;
    iov[0].iov_len = strlen(buf1);
    iov[1].iov_base = buf2;
    iov[1].iov_len = strlen(buf2);
    iov[2].iov_base = buf3;
    iov[2].iov_len = strlen(buf3);

    ssize_t nwritten = writev(STDOUT_FILENO, (const struct iovec *)iov, 3);
    printf("%d bytes written\n", nwritten);

    return 0;
}

在上述代碼中，我們定義了一個包含3個元素的結構體數組iov，其中每個元素包含一個緩衝區的地址和它的長度。最後，我們使用writev函數將結構體數組中的所有緩衝區內容一次性地寫入STDOUT_FILENO中。

五、使用bvec來進行流取向的I/O

分散/聚集I/O用於單個文件中的讀寫，而流取向的I/O用於網絡編程中，實現了分散/聚集I/O在一個套接字上傳輸的功能。

在Linux環境下，定義了一個bvec結構體來實現流取向的I/O功能。這個結構體的成員變量包括：bv_page、bv_len和bv_offset。其中，bv_page指向一個內存頁面，bv_len表示該頁面的長度，bv_offset表示該頁面的偏移量。這些頁面是用來緩存網卡收發的數據的。

#include <linux/types.h>
#include <asm/scatterlist.h>
#include <linux/highmem.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/netdevice.h>

int sock_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t len)
{
    struct kvec iov;
    struct sock_iocb iocb;
    struct iov_iter iter;
    struct sg_table sg;
    struct scatterlist *sgl;
    unsigned int sgl_nents, offset;
    int size;

    sgl_nents = skb_to_sgvec(msg->msg_iter.bvec.vec.bv_page,
                    msg->msg_iter.bvec.vec.bv_len, 0, &sg, 1);

    sgl = sg.sgl;
    offset = 0;
    iov.iov_len = len;
    iov_iter_init(&iter, WRITE, &iov, 1, len);

    while (offset < len) {
        size = kernel_sendmsg(sock, msg, &iov, 1, len);
        if (size < 0)
            return size;
        iov_iter_advance(&iter, size);
        offset += size;
    }
    return offset;
}

在上述代碼中，我們定義了一個sock_sendmsg函數來實現流取向的I/O。其中，sgl_nents用於設置sgl數組的長度，sgl數組包含指向多個頁面的指針。通過在sgl數組中設置多個頁面的指針，我們可以實現多個緩衝區的讀取和寫入。

六、結論

使用structiovec可以極大地簡化代碼，並提高程序的效率。聚集I/O用於將多個緩衝區中的數據讀取或寫入到單個文件中，而使用分散I/O可以從單個文件中讀取數據到多個緩衝區中。在網絡編程中，我們可以使用bvec結構體來實現流取向的I/O功能。實踐中請根據自己的需求選擇合適的方法。