IO的几个模型

雨点打透心脏的1/2处 2024-03-24 18:17 25阅读 0赞

### **一.I/O模型名词介绍** ###

说到I/O模型，都会牵扯到同步、异步、阻塞、非阻塞这几个词，以下讲解这几个词的概念。

**阻塞和非阻塞**

阻塞和非阻塞指的是一直等还是可以去做其他事。

**阻塞(一直等水烧开)（blocking）：**调用结果返回之前，调用者被挂起（当前线程进入非可执行状态，在这个状态，CPU不会分配时间片，线程暂停运行)；

**非阻塞(去看电视,时不时看水烧开没有)（nonblocking）：**调用结果返回之前，调用者不会被挂起(当前线程还是可执行状态，CPU会分配时间片，线程还可以运行)

**同步和异步**

同步/异步关注的是消息通信机制

**同步(不会响的水壶)（synchronous）：**被调用者完成任务后,不会主动给调用者返回调用结果。

**异步(会响的水壶)（asynchronous）：**被调用者完成任务后,会主动给调用者返回调用结果。

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阻塞、非阻塞、多路IO复用，都是同步IO，异步必定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。真正的异步IO需要CPU的深度参与。换句话说，只有用户线程在操作IO的时候根本不去考虑IO的执行全部都交给CPU去完成，而自己只等待一个完成信号的时候，才是真正的异步IO。所以，拉一个子线程去轮询、去死循环，或者使用select、poll、epool，都不是异步。

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### **二.I/O模型类型** ###

IO模型分为以下五类

1.  阻塞I/O：所有过程全阻塞
2.  非阻塞I/O：如果没有数据buffer，则立即返回EWOULDBLOCK
3.  I/O复用型（select和poll）：在wait和copy阶段分别阻塞
4.  信号驱动型I/O（SIGIO）：在wait阶段不阻塞，但copy阶段阻塞（信号驱动I/O），即通知
5.  异步I/O（AIO）：完全无阻塞方式，当I/O完成时提供信号

#### **1.阻塞I/O** ####

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说明：应用程序调用一个IO的recvfrom函数，会导致应用程序阻塞，进入阻塞状态后直到I/O操作结束才会返回；如果系统内核数据没有准备好，那就一直等待数据准备，因为是调用了recvfrom函数导致了应用程序阻塞，所以一直在等，做不了任何事情，内核数据准备好之后把数据从内核拷贝到用户空间，拷贝结束后，I/O函数返回成功指示。 注：其阻塞时在I/O操作阶段

#### **2.非阻塞I/O** ####

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说明：用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，则返回字段为“EWOULDBLOCK”，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。即“轮询”机制。 整个IO请求过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据。仍需要不断地轮询、重复请求、消耗了大量的CPU资源；是比较浪费CPU的方式，一般很少用这种模型，而是在其他模型中使用非阻塞IO这一特性。

#### **3.I/O复用（select和poll）** ####

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说明：I/O复用模型会用到select或poll函数，在I/O复用模型中，并不是阻塞到I/O操作过程中，而是阻塞到select或者poll函数中； 以select为例：进程在select处阻塞，等待几个描述符中的一个变为可操作，如果没等待到就继续阻塞在第一阶段，如果等到了一个描述符变为了可操作，则调用recvfrom函数将数据拷贝到应用缓冲区。

#### **4.信号驱动I/O（SIGIO）** ####

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说明：首先，我们允许套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数SIGIO，如果数据没有准备好，则立即返回结果，进程继续工作并不阻塞。当数据准备好时，系统内核会主动发送一个SIGIO信号给应用程序，应用程序收到信号后，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数recvfrom进行数据处理。 信号驱动I/O模型的优点是当数据报到达时，可以不阻塞，主循环可以继续执行，只是等待处理程序的通知，或者数据已经准备好被处理，或者数据报已经准备好被读了。

#### **5.异步I/O（AIO）** ####

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说明：当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态通知和回调通知来告诉调用者的输入输出操作。 用户可以直接对I/O执行读写操作，这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置，以及I/O操作完成之后内核通知应用程序的方式，就是上面讲的通过状态通知或者回调通知来告诉调用者。异步I/O的读写操作总是立即返回，但没有返回结果说是否阻塞，因为异步I/O操作真正的读写操作已由内核接管，内核自己对数据处理完成后生成一个信号，然后通知用户刚才交给自己的事件已经处理完成。

#### **五种I/O模型的总结及比较** ####

中文图示如下：

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英文图示如下：

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从两张图中我们可以看到，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。 其中五种I/O模型中，前三种属于同步I/O，后两者属于异步I/O。

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