I/O模型系列之一：Linux I/O模型基本概念

àì夳堔傛蜴生んèń 2021-10-19 02:44 181阅读 0赞

# 1. IO模型矩阵 #

基本 Linux I/O 模型的简单矩阵：

![285763-20180124095638428-586748501.png][]

**同步与异步**：描述的是用户线程与内核的交互方式。

同步IO和异步IO的区别就在于：数据拷贝的时候进程是否阻塞！

同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；（Blocking IO、Non-Blocking IO）

异步是指用户线程发起IO请求后仍然继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。(IO Multiplexing、Asynchronous IO)

**阻塞与非阻塞**：描述是用户线程调用内核IO操作的方式。

阻塞IO和非阻塞IO的区别就在于：应用程序的调用是否立即返回！

阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；

非阻塞指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

# 2. IO模型 #

linux系统IO分为内核准备数据和将数据从内核拷贝到用户空间两个阶段。

![831179-20160814120934953-1360584282.png][]

这张图大致描述了数据从外部磁盘向运行中程序的内存中移动的过程。

# 3. 用户空间、内核空间 #

现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟储存空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操作系统将虚拟空间划分为两个部分，一个部分为内核空间，一部分为用户空间。

如何分配这两个空间的大小也是有讲究的，如windows 32位操作系统，默认的用户空间：内核空间的比例是1:1;而在32位Linux系统中的默认比例是3:1（3G用户空间，1G内核空间）。

# 4. 进程切换 #

为了控制进程的执行，内核必须要有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为成为进程的切换。任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

进程切换的过程，会经过下面这些变化：

1、保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。

2、更新PCB信息。

3、将进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。

4、选择另外一个进程执行，并更新PCB

5、更新内存管理的数据结构。

6、恢复处理机上下文

# 5. 缓存IO #

缓存IO又称称为标准IO，大多数文件系统的默认IO操作都是缓存IO。在Linux的缓存IO机制中，操作系统会将IO的数据缓存在文件系统的页缓存（page cache）。也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓存区拷贝到应用程序的地址空间中。

这种做法的缺点就是，需要在应用程序地址空间和内核进行多次拷贝，这些拷贝动作所带来的CPU以及内存开销是非常大的。

# 6. 文件描述符fd #

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

# 7. 摘录网址 #

[深入理解JAVA I/O系列六：Linux中的IO模型][JAVA I_O_Linux_IO]

[同步与阻塞，异步与非阻塞的区别][Link 1]

[阻塞IO、非阻塞IO的区别][IO_IO]

ps: 抛弃本文上下文

同步与异步是对应的，它们是线程之间的关系，两个线程之间要么是同步的，要么是异步的。

阻塞与非阻塞是对同一个线程来说的，在某个时刻，线程要么处于阻塞，要么处于非阻塞。

阻塞是使用同步机制的结果，非阻塞则是使用异步机制的结果。

同步IO和异步IO的区别就在于：数据拷贝的时候进程是否阻塞！

阻塞IO和非阻塞IO的区别就在于：应用程序的调用是否立即返回！

转载于:https://www.cnblogs.com/haimishasha/p/10604766.html

[285763-20180124095638428-586748501.png]: /images/20211018/292b80f9906049e6ac3c9eacc1c603df.png
[831179-20160814120934953-1360584282.png]: /images/20211018/da813e3ad47a4e929bb52614aa734710.png
[JAVA I_O_Linux_IO]: https://www.cnblogs.com/dongguacai/p/5770287.html
[Link 1]: https://www.cnblogs.com/-900401/p/4015048.html
[IO_IO]: https://blog.csdn.net/yyxyong/article/details/62894064