Linux-I/O模型详解

I/O介绍

I/O通常有内存IO、网络I/O、磁盘I/O等，但我们通常说的是网络I/O以及磁盘I/O。网络I/O：本质是socket读取

每次I/O请求，都会有两个阶段组成： 第一步：等待数据，即数据从磁盘到内核内存；将数据从磁盘文件先加载到内核内存空间（缓冲区），等待数据准备完成，时间较长。第二步：复制数据，即数据内核内存到进程内存；将数据从内核缓冲复制到用户空间的进程内存中，时间较短。

Web请求处理过程

1.客户端发起情况到服务器网卡2.服务器网卡接受到请求后转交给内核处理3.内核根据请求对应的套接字，将请求交给工作在用户空间的Web服务器进程4.Web服务器进程根据用户请求，向内核进行系统调用，申请获取相应资源（如：客户端获取图片）5.内核发现Web服务器进程请求的是一个存放在本地硬盘上的资源，因此通过驱动程序连接磁盘6.内核调用磁盘，获取需要的资源7.内核将资源存放在自己的缓存区中，并通知Web服务器进程8.Web服务器进程通过系统调用取得资源，并将其复制到进程自己的缓冲区中9.Web服务器进程形成响应，通过系统调用再次发给内核以响应请求10.内核将响应发送至网卡11.网卡发送响应给用户

通过这样的一个复杂过程，一次请求就完成了

简单来说就是：

用户请求——》送达用户空间——〉系统调用——》内核空间——〉内核到磁盘上读取图片资源——》返回到用户空间——〉响应给用户

上述简单的说明了一下，客户端向Web服务器请求过程，在这个过程中，有两个I/O过程：一是客户端请求的网络I/O，二个是Web服务器请求图片磁盘I/O。

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执行一个操作时等操作结束再返回结果，还是马上返回结果。

阻塞（blocking）：指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，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）只有到到结果才进入活动状态；

阻塞例子：海底捞的服务器为你点菜，当你点完菜后，服务员把消息传到后厨，这时你就在餐桌上等待，直到厨师把汤锅和配菜都准备好以后送到你桌上，你才能开吃。在上菜的过程中你还不能离开，因为你离开了之后服务员上菜了却找不到你人，所以你就是能等待，这个时候你处于阻塞等待状态，就是前面说的，你是调用者，你被挂起了，进入了非可执行状态。

非阻塞（nonblocking）：指I/O操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到I/O操作彻底完成，最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起；

非阻塞例子：海底捞的服务器为你点菜，当你点完菜后，服务员把消息传到后厨，过了三分钟，你跑到后厨问，我的锅底或者肥牛卷好了没有？后厨说没好，然后你去处理其它事情，然后又过了五分钟，你又跑到后厨问，我的某个菜好了没有，如果没有，你还是继续做其他事情，然后等会再问一次，这个时候就是在I/O操作的同时，你没有被挂起，可以操作其他事情，但是如果I/O操作完成，你需要立马接受。

同步和异步

同步/异步关注的是消息通信机制

同步（synchronous）：调用者等待被调用者返回消息，才能继续执行。同步阻塞例子：去餐馆吃饭，点了一个盖浇饭，然后在餐桌上一直等到盖浇饭做好，自己端到餐桌就餐。这就是典型的同步阻塞。当厨师给你做饭的时候，你需要一直在那里等着。

同步非阻塞例子：去餐馆吃饭，点了一个盖浇饭，你点完饭之后，过了几分钟感觉时间差不多了，就去问老板饭做好了没有，如果好了就去端，如果没好等一会再去问，实时同步做饭进度，依次循环去问直到饭做好，这就是同步非阻塞。 异步（asynchronous）：被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态。

I/O模型类型

IO模型分为以下五类

1.阻塞型：所有过程全阻塞2.非阻塞型：如果没有数据buffer，则立即返回EWOULDBLOCK3.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

阻塞I/O

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

非阻塞I/O

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。

I/O复用（select和poll）

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。

信号驱动I/O（SIGIO）

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。

异步I/O（AIO）

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：

英文图示如下：

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。

同步I/O

阻塞I/O 非阻塞I/O I/O复用（select和poll）

异步I/O

信号驱动I/O（SIGIO） 半异步 异步I/O（AIO） 全异步

异步I/O和信号驱动I/O的区别

信号驱动I/O模式下，内核可以复制的时候通知给我们应用程序发送SIGIO信号。异步I/O模式下，内核在所有的操作由内核操作完成后才会通知我们的应用程序。

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