Unix五種IO模型

• IO 是主存和外部設(shè)備 ( 硬盤拷邢、終端和網(wǎng)絡(luò)等 ) 拷貝數(shù)據(jù)的過程挨队。 IO 是操作系統(tǒng)的底層功能實(shí)現(xiàn)，底層通過 I/O 指令進(jìn)行完成夫椭。

1、阻塞式I/O：blocking IO

• 在linux中氯庆，默認(rèn)情況下所有的socket都是blocking蹭秋，一個(gè)典型的讀操作流程大概是這樣：

  • step1: 等待數(shù)據(jù)到達(dá)(例如等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸完成)。當(dāng)所有等待數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)堤撵，它被復(fù)制到內(nèi)核中的某個(gè)緩沖區(qū)仁讨。
  • step2: 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用程序緩沖區(qū)。
    [圖片上傳失敗...(image-ac81d1-1550418665511)]

• 應(yīng)用進(jìn)程(application process) 調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用

• 然后內(nèi)核(kernel)開始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)实昨。在內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)期間洞豁，應(yīng)用進(jìn)程是一直阻塞的。

• 內(nèi)核準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)之后，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核copy到應(yīng)用內(nèi)存丈挟。在內(nèi)核copy數(shù)據(jù)期間刁卜，應(yīng)用進(jìn)程依然是一直阻塞的。

• 內(nèi)核返回結(jié)果礁哄，應(yīng)用進(jìn)程才解除block的狀態(tài)长酗，重新繼續(xù)執(zhí)行

blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了。

2桐绒、非阻塞式I/O： nonblocking IO

• linux下夺脾，可以通過設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)茉继，流程是這個(gè)樣子：
  [圖片上傳失敗...(image-b67de6-1550418665511)]

1. 應(yīng)用進(jìn)程(application process) 調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
2. 內(nèi)核告訴應(yīng)用進(jìn)程咧叭，數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好
3. 應(yīng)用進(jìn)程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，不停的調(diào)用recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用烁竭，內(nèi)核在數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好的情況下不停的告訴應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好菲茬。
4. 內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。這個(gè)過程中派撕，應(yīng)用進(jìn)程沒有阻塞婉弹，因?yàn)樗诓煌５恼{(diào)用！
5. 在應(yīng)用進(jìn)程不停的調(diào)用中终吼，恰好這次內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了镀赌，然后內(nèi)核把數(shù)據(jù)copy到應(yīng)用進(jìn)程內(nèi)存。在內(nèi)核copy數(shù)據(jù)期間际跪，應(yīng)用進(jìn)程是一直阻塞的商佛。
6. 內(nèi)核返回結(jié)果，應(yīng)用進(jìn)程解除block的狀態(tài)姆打，重新繼續(xù)執(zhí)行

• 當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)良姆，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，那么它并不會(huì)block用戶進(jìn)程幔戏，而是立刻返回一個(gè)error玛追。
• 從用戶進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個(gè)read操作后闲延，并不需要等待豹缀，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)慨代，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好邢笙，于是它可以再次 發(fā)送read操作。
• 一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了侍匙，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call氮惯，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存叮雳，然后返回。
  用戶進(jìn)程第一個(gè)階段不是阻塞的,需要不斷的主動(dòng)詢問kernel數(shù)據(jù)好了沒有妇汗；第二個(gè)階段依然總是阻塞的帘不。

3、I/O復(fù)用（select杨箭，poll寞焙，epoll...）：IO multiplexing

• IO復(fù)用同非阻塞IO本質(zhì)一樣，不過利用了新的select系統(tǒng)調(diào)用互婿，由內(nèi)核來負(fù)責(zé)本來是請求進(jìn)程該做的輪詢操作捣郊。看似比非阻塞IO還多了一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用開銷慈参，不過因?yàn)榭梢灾С侄嗦稩O呛牲，才算提高了效率。
• 它的基本原理就是select /epoll這個(gè)function會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket驮配，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了娘扩，就通知用戶進(jìn)程。它的流程如圖：
  [圖片上傳失敗...(image-68441e-1550418665511)]

1. 應(yīng)用進(jìn)程 調(diào)用了select這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
2. 內(nèi)核開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)壮锻。在內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)期間琐旁，應(yīng)用進(jìn)程是一直阻塞的
3. 內(nèi)核告訴應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了
4. 應(yīng)用進(jìn)程(application process) 調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
5. 內(nèi)核把數(shù)據(jù)copy到應(yīng)用進(jìn)程內(nèi)存。在內(nèi)核copy數(shù)據(jù)期間猜绣，應(yīng)用進(jìn)程是一直阻塞的
6. 內(nèi)核返回結(jié)果旋膳，應(yīng)用進(jìn)程解除block的狀態(tài)，重新繼續(xù)執(zhí)行

• 如上圖所示途事，整個(gè)用戶的process其實(shí)是一直被 block的。只不過process是被select這個(gè)函數(shù)block擅羞，而不是被socket IO給block尸变。
• 當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了select，那么整個(gè)進(jìn)程會(huì)被block减俏，而同時(shí)召烂，kernel會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的socket，當(dāng)任何一個(gè) socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了娃承，select就會(huì)返回奏夫。這個(gè)時(shí)候用戶進(jìn)程再調(diào)用read操作，將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進(jìn)程历筝。
• 用select的優(yōu)勢在于它可以同時(shí)處理多個(gè)connection酗昼。
• select/epoll的優(yōu)勢并不是對于單個(gè)連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接梳猪。 事實(shí)上麻削，如果處理的連接數(shù)不是很高的話，使用 select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大呛哟。

4叠荠、信號驅(qū)動(dòng)式I/O（SIGIO）：signal driven IO

• 信號驅(qū)動(dòng)式IO是指讓操作系統(tǒng)內(nèi)核在文件描述符就緒時(shí)發(fā)送信號給用戶進(jìn)程，這樣一來用戶進(jìn)程只要調(diào)用sigaction后就能立即返回扫责，不會(huì)被阻塞榛鼎。當(dāng)操作系統(tǒng)的文件描述符就緒時(shí)，會(huì)發(fā)送信號給用戶進(jìn)程鳖孤，用戶進(jìn)程再調(diào)用recvfrom開始IO操作者娱。
  [圖片上傳失敗...(image-f90b02-1550418665511)]

1. 應(yīng)用進(jìn)程發(fā)起一個(gè)信號，告訴內(nèi)核說我需要什么文件淌铐，然后直接返回
2. 內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)肺然。應(yīng)用進(jìn)程繼續(xù)完成后面的邏輯，不會(huì)阻塞
3. 內(nèi)核準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)腿准，告訴應(yīng)用進(jìn)程來取數(shù)據(jù)
4. 應(yīng)用進(jìn)程請求取數(shù)據(jù)
5. 內(nèi)核把數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程际起。應(yīng)用進(jìn)程阻塞
6. 返回?cái)?shù)據(jù)

• 信號驅(qū)動(dòng)式IO模型跟IO復(fù)用模型的區(qū)別，前者操作系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)發(fā)消息給用戶進(jìn)程吐葱，后者用戶進(jìn)程還是會(huì)阻塞在多路復(fù)用器上街望。

5、異步I/O（POSIX的aio_系列函數(shù)）：asynchronous IO

• 異步IO模型指的是告訴操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)某個(gè)操作弟跑，并讓操作系統(tǒng)內(nèi)核在完成整個(gè)操作后通知用戶進(jìn)程灾前。
• 其與信號驅(qū)動(dòng)式IO的區(qū)別是信號驅(qū)動(dòng)式IO模型是操作系統(tǒng)內(nèi)核通知我們何時(shí)開始一個(gè)IO操作，而異步IO模型是操作系統(tǒng)內(nèi)核通知我們該IO操作何時(shí)完成孟辑。
  [圖片上傳失敗...(image-b61c9-1550418665511)]

1. 應(yīng)用進(jìn)程發(fā)起一個(gè)信號哎甲，告訴內(nèi)核說我需要什么文件，然后直接返回
2. 內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)饲嗽。應(yīng)用進(jìn)程繼續(xù)完成后面的邏輯炭玫，不會(huì)阻塞
3. 內(nèi)核把數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程內(nèi)存。應(yīng)用進(jìn)程不會(huì)阻塞
4. 返回?cái)?shù)據(jù)

• 用戶進(jìn)程發(fā)起read操作之后貌虾，立刻就可以開始去做其它的事吞加。
• 另一方面，從kernel的角度尽狠，當(dāng)它受到一個(gè)asynchronous read之后衔憨，首先它會(huì)立刻返回，所以不會(huì)對用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block袄膏。然后践图，kernel會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存沉馆，當(dāng)這一切都 完成之后平项，kernel會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal赫舒，告訴它read操作完成了。
• 在這整個(gè)過程中闽瓢，進(jìn)程完全沒有被block接癌。

總結(jié)