473-Unix/Linux上的五种I/O模型

男娘i 2022-09-08 00:12 118阅读 0赞

## Unix/Linux上的五种I/O模型 ##

I/O模式是操作系统上任何的I/O，内存I/O，磁盘I/O，网络I/O都可以应用。  
我们主要考虑网络I/O。

## 阻塞 blocking ##

**同步的阻塞的I/O模型，效率不高。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**内核空间就是网络接收到远端发送过来数据的tcp接收缓冲区。**  
应用进程调用read，系统调用，是系统的I/O接口。  
在应用进程看来，是一直阻塞住，数据是否就绪、数据就绪后的从内核空间向用户空间的拷贝整个过程，应用程序时间都要在read上花费完，一直阻塞住。应用程序调用read这个I/O接口，内核把这一系列事情做完以后，然后再唤醒当前这个应用线程，可以起来处理数据了。  
**这就是同步的阻塞I/O了。**

## 非阻塞 non-blocking ##

**同步非阻塞模型**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
当应用进程调用read之前，用setsockopt这个系统的方法把用socket创建的sockfd设置成EAGAIN，在数据未就绪状态下，它是不断的返回。通过返回值的判断，size=-1&&EAGAIN，表示正常的返回，内核的数据未就绪。如果数据准备好以后，数据从内核空间TCP接收缓冲区拷贝到用户空间的buf，花费的还是应用程序的时间。同步非阻塞模型。

## IO复用（IO multiplexing） ##

**同步的过程**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
默认的select/poll/epoll都是可以设置timeout超时时间的。如果不设置， 就是事件未发生，调用I/O复用接口的进程线程是阻塞住的。  
设置超时时间，就是可以工作在非阻塞模式下，同样去检测返回值是不是EAGAIN，是错误返回还是正常非阻塞的返回。  
如果数据准备好了以后，返回可读的fd，返回发生事件的event，接下来对发生事件的event调用accept或者read，上图中是发现是已建立连接的读写事件，发起系统调用，整个的数据从内核tcp接收缓冲区拷贝到用户空间的buf，还是要耗费应用程序的时间，还是同步的过程。  
**数据的未就绪到就绪调用了I/O复用接口，就绪以后根据具体的发生事件fd，进行相应的I/O接口的调用，好处是在一个线程里面，调用一个I/O复用接口，可以监听很多很多的套接字（高并发），当多个套接字有数据可读的话，I/O复用会给应用程序返回可读或者可写的socket列表，然后应用程序根据I/O复用返回的这些fd进行相应的读写操作。**

## 信号驱动（signal-driven）（linux特有） ##

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**内核在第一个阶段是异步，在第二个阶段是同步**；与非阻塞IO的区别在于它提供了消息通知机制，不需要用户进程不断的轮询检查（就是相当于非阻塞模式，或者是epoll设置了timeout），**减少了系统API的调用次数**（这就是说，如果你是非阻塞，或者是设置了timeout的I/O复用的话，当你检查返回值=-1&&EAGAIN，会再次调动read或者I/O复用接口来检查内核的数据，是否从未就绪到就绪了）**提高了效率。**

**在数据未就绪到数据就绪的过程中，应用进程是在继续执行**，完全放飞自我了，可以做任何事清，它调用相应的方法注册SIGIO信号处理程序，相当于协商了通知的方式，相当于回调操作，给内核注册以后，内核就给应用进程返回“知道了”，知道应用进程对什么事件感兴趣了，知道事件发生时该怎么通知应用进程。**等待数据的过程就是一个异步的过程。**

**但是应用进程在读或者写的过程中**，不能放飞自我，调用read去读这个数据，**是同步的**，数据从内核TCP缓冲区拷贝到用户的buf，应用进程是要花费时间的，数据搬完了，应用进程才能进行向下执行。

## 异步（asynchronous） ##

**基于操作系统级别的异步非阻塞I/O**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
**典型的异步非阻塞状态，Node.js采用的网络IO模型。**

**整个过程从数据就绪到数据拷贝，不耗费应用程序的时间。应用进程继续执行的，可以去做其他事情。**  
**内核处理好之后，通知应用程序“好了，该处理这个了”。读写事件发生了，该读该写的数据都写到buf了。**

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