Linux_I/O模型 | 易学教程

I/O模型(I/O Models)

阻塞式I/O（blocking I/O）
非阻塞式I/O（nonblocking I/O）
I/O多路复用（I/O multiplexing）
信号驱动I/O（signal driven I/O）
异步I/O（asynchronous I/O）

对于一个network I/O涉及两个系统对象，一个是调用I/O的进程(process)，另一个是系统内核(kernel)。

下面用read操作来当做例子，当一个read操作发生时涉及的两个步骤：

等待内核将数据准备好
内核将准备好的数据拷贝到进程，也就是从kernel space拷贝到user space

对于一个socket的read操作，第一步通常是等待网络数据。当包到达时，会先拷贝到内核的内存中。然后第二步，把数据从内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区。

阻塞式I/O(blocking I/O)

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姜太公钓鱼，愿者上钩。鱼竿丢下去，就等到鱼上来，啥事不干，啥事也干不了。

当应用程序调用recvfrom这个system call，kernel只有等到准备好数据，把数据拷贝到应用程序的缓冲区，才会返回。应用程序在调用recvfrom后，如果kernel没有准备好数据，会被“睡觉”。进程一直阻塞着，在呼叫recvfrom这个system call之后，直到kernel返回数据，或者错误。

blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

非阻塞式I/O(nonblocking I/O)

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鱼竿下去，想看B站，看一会B站，看一下鱼钓到没。

非阻塞式I/O和阻塞式I/O很大的区别就在于，应用程序调用recvfrom，马上会有返回，如果kernel还没准备好数据，会返回错误EWOULDBLOCK。从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。应用程序收到error的返回，会再呼叫recvfrom。如果kernel准备好数据，就会把数据拷贝到应用程序的缓存区，返回。

如果一个应用程序处于类似循环呼叫recvfrom这个操作，这个称为polling，轮询。

这个模型比较浪费CPU时间。

注意，非阻塞式I/O算是同步I/O，虽然在呼叫recvfrom会立刻收到返回，但是在copy datagram那里是阻塞的，所以算是同步I/O

I/O复用(I/O Multiplexing Model)

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一个鱼竿太少了，就买20根鱼竿，不断看哪根鱼竿钓到鱼了。

I/O复用，相比阻塞式I/O和非阻塞式I/O，会呼叫两个system call，一般由select，poll，epoll实现。这里用select先当例子。

应用程序在呼叫select之后被阻塞，直到返回有data可以读。当select返回有data可以读，应用程序就呼叫recvfrom把data copy到应用程序的缓冲区。

相比较阻塞式I/O和非阻塞式I/O，这个模式没有优化什么，但是最大的优点是可以处理多条连接。

在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

信号I/O(Signal-Driven I/O Model)

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鱼竿挂个铃，丢下去，等铃响了就收竿了。

异步I/O(Asynchronous I/O Model)

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鱼竿丢下去，雇个小弟在那帮我看，钓到了，打电话告诉我鱼钓了，然后回去收鱼。

异步I/O根据POSIX标准定义。

应用程序呼叫aio_read（POSIX异步I/O方法用aio_或lio_开头）。系统会马上返回并且应用程序没有被阻塞，而是继续执行。等到kernel准备好数据，并且拷贝到应用程序的缓冲区后，会给应用程序数据一个signal(应用程序通常告诉kernel怎么通知)，告诉应用程序read操作已经好了。

和信号驱动I/O不同的是，异步I/O的应用程序整个进程都不会被阻塞，kernel拷贝好数据后，通知应用程序。而信号驱动，只是在数据可读后通知应用程序，还要再呼叫recvfrom去让kernel拷贝数据。

比较

blocking I/O vs nonblocking I/O

blocking：阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用，信号驱动I/O

nonblocking：异步I/O

blocking IO会一直block住对应的进程知道相应操作完成，而nonblocking IO会在kernel还在准备数据的时候就返回，继续执行。

asynchronous I/O vs synchronous I/O

synchronous：阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用，信号驱动I/O

asynchronous ：异步I/O

POSIX对这两个名词的定义是：

一个同步I/O操作会导致进程阻塞直到该I/O操作完成
A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that
I/O operation completes.
一个异步I/O操作不会导致进程被阻塞
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

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