linuxio是什么

本篇內容主要講解“l(fā)inux io是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“l(fā)inux io是什么”吧!

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linux io指的是一種文件操作；在Linux中，文件就是一串二進制流，那么在信息的交換過程中，我們都是對這些流進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作，這些操作簡稱為I/O操作；由于Linux使用的是虛擬內存機制，所以必須通過系統(tǒng)調用請求內核來完成IO動作。

linux io指的是什么？

我們都知道在Linux的世界，一切皆文件。

而文件就是一串二進制流，不管Socket、FIFO、管道還是終端，對我們來說，一切都是流。

• 在信息的交換過程中，我們都是對這些流進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作，簡稱為I/O操作。

• 往流中讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調用Read，寫入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調用Write。

通常用戶進程的一個完整的IO分為兩個階段：

磁盤IO：

網(wǎng)絡IO：

操作系統(tǒng)和驅動程序運行在內核空間，應用程序運行在用戶空間，兩者不能使用指針傳遞數(shù)據(jù)，因為Linux使用的虛擬內存機制，必須通過系統(tǒng)調用請求內核來完成IO動作。

IO有內存IO、網(wǎng)絡IO和磁盤IO三種，通常我們說的IO指的是后兩者！

為什么需要IO模型

如果使用同步的方式來通信的話，所有的操作都在一個線程內順序執(zhí)行完成，這么做缺點是很明顯的：

• 因為同步的通信操作會阻塞同一個線程的其他任何操作，只有這個操作完成了之后，后續(xù)的操作才可以完成，所以出現(xiàn)了同步阻塞+多線程（每個Socket都創(chuàng)建一個線程對應），但是系統(tǒng)內線程數(shù)量是有限制的，同時線程切換很浪費時間，適合Socket少的情況。

因該需要出現(xiàn)IO模型。

Linux的IO模型

在描述Linux IO模型之前，我們先來了解一下Linux系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取的過程：

以用戶請求index.html文件為例子說明

基本概念

用戶空間和內核空間

操作系統(tǒng)的核心是內核，獨立于普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限。

• 為了保證內核的安全，用戶進程不能直接操作內核，操作系統(tǒng)將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為內核空間，一部分為用戶空間。

進程切換

為了控制進程的執(zhí)行，內核必須有能力掛起正在CPU上運行的進程，并恢復以前掛起的某個進程的執(zhí)行。

這種行為被稱為進程切換。

因此可以說，任何進程都是在操作系統(tǒng)內核的支持下運行的，是與內核緊密相關的。

進程的阻塞

正在執(zhí)行的進程，由于期待的某些事件未發(fā)生，如請求系統(tǒng)資源失敗、等待某種操作的完成、新數(shù)據(jù)尚未到達或無新工作做等，則由系統(tǒng)自動執(zhí)行阻塞原語(Block)，使自己由運行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。

可見，進程的阻塞是進程自身的一種主動行為，也因此只有處于運行態(tài)的進程（獲得CPU），才可能將其轉為阻塞狀態(tài)。

當進程進入阻塞狀態(tài)，是不占用CPU資源的。

文件描述符

文件描述符（File Descriptor）是計算機科學中的一個術語，是一個用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一個非負整數(shù)，實際上，它是一個索引值，指向內核為每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表。

• 當程序打開一個現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。

緩存IO

大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認 IO 操作都是緩存 IO。

其讀寫過程如下：

• 讀操作：操作系統(tǒng)檢查內核的緩沖區(qū)有沒有需要的數(shù)據(jù)，如果已經緩存了，那么就直接從緩存中返回；否則從磁盤、網(wǎng)卡等中讀取，然后緩存在操作系統(tǒng)的緩存中；

• 寫操作：將數(shù)據(jù)從用戶空間復制到內核空間的緩存中。這時對用戶程序來說寫操作就已經完成，至于什么時候再寫到磁盤、網(wǎng)卡等中由操作系統(tǒng)決定，除非顯示地調用了 sync 同步命令。

假設內核空間緩存無需要的數(shù)據(jù)，用戶進程從磁盤或網(wǎng)絡讀數(shù)據(jù)分兩個階段：

• 階段一：內核程序從磁盤、網(wǎng)卡等讀取數(shù)據(jù)到內核空間緩存區(qū)；

• 階段二：用戶程序從內核空間緩存拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間。

緩存 IO 的缺點：

數(shù)據(jù)在傳輸過程中需要在應用程序地址空間和內核空間進行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來的CPU以及內存開銷非常大。

同步阻塞

用戶空間的應用程序執(zhí)行一個系統(tǒng)調用，這會導致應用程序阻塞，什么也不干，直到數(shù)據(jù)準備好，并且將數(shù)據(jù)從內核復制到用戶進程，最后進程再處理數(shù)據(jù)，在等待數(shù)據(jù)到處理數(shù)據(jù)的兩個階段，整個進程都被阻塞，不能處理別的網(wǎng)絡IO。

• 調用應用程序處于一種不再消費 CPU 而只是簡單等待響應的狀態(tài)，因此從處理的角度來看，這是非常有效的。

這也是最簡單的IO模型，在通常FD較少、就緒很快的情況下使用是沒有問題的。

同步非阻塞

非阻塞的系統(tǒng)調用調用之后，進程并沒有被阻塞，內核馬上返回給進程，如果數(shù)據(jù)還沒準備好，此時會返回一個error。

• 進程在返回之后，可以干點別的事情，然后再發(fā)起系統(tǒng)調用。

• 重復上面的過程，循環(huán)往復的進行系統(tǒng)調用。這個過程通常被稱之為輪詢。

• 輪詢檢查內核數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準備好，再拷貝數(shù)據(jù)到進程，進行數(shù)據(jù)處理。

• 需要注意，拷貝數(shù)據(jù)整個過程，進程仍然是屬于阻塞的狀態(tài)。

• 這種方式在編程中對Socket設置O_NONBLOCK即可。

IO多路復用

IO多路復用，這是一種進程預先告知內核的能力，讓內核發(fā)現(xiàn)進程指定的一個或多個IO條件就緒了，就通知進程。

使得一個進程能在一連串的事件上等待。

IO復用的實現(xiàn)方式目前主要有Select、Poll和Epoll。

偽代碼描述IO多路復用：

while(status == OK) { // 不斷輪詢 ready_fd_list = io_wait(fd_list); //內核緩沖區(qū)是否有準備好的數(shù)據(jù) for(fd in ready_fd_list) {  data = read(fd) // 有準備好的數(shù)據(jù)讀取到用戶緩沖區(qū)  process(data) }}

信號驅動

首先我們允許Socket進行信號驅動IO，并安裝一個信號處理函數(shù)，進程繼續(xù)運行并不阻塞。

當數(shù)據(jù)準備好時，進程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數(shù)中調用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

流程如下：

• 開啟套接字信號驅動IO功能

• 系統(tǒng)調用Sigaction執(zhí)行信號處理函數(shù)（非阻塞，立刻返回）

• 數(shù)據(jù)就緒，生成Sigio信號，通過信號回調通知應用來讀取數(shù)據(jù)

此種IO方式存在的一個很大的問題：Linux中信號隊列是有限制的，如果超過這個數(shù)字問題就無法讀取數(shù)據(jù)

異步非阻塞

異步IO流程如下所示：

• 當用戶線程調用了aio_read系統(tǒng)調用，立刻就可以開始去做其它的事，用戶線程不阻塞

• 內核就開始了IO的第一個階段：準備數(shù)據(jù)。當內核一直等到數(shù)據(jù)準備好了，它就會將數(shù)據(jù)從內核內核緩沖區(qū)，拷貝到用戶緩沖區(qū)

• 內核會給用戶線程發(fā)送一個信號，或者回調用戶線程注冊的回調接口，告訴用戶線程Read操作完成了

• 用戶線程讀取用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，完成后續(xù)的業(yè)務操作

相對于同步IO，異步IO不是順序執(zhí)行。

用戶進程進行aio_read系統(tǒng)調用之后，無論內核數(shù)據(jù)是否準備好，都會直接返回給用戶進程，然后用戶態(tài)進程可以去做別的事情。

等到數(shù)據(jù)準備好了，內核直接復制數(shù)據(jù)給進程，然后從內核向進程發(fā)送通知。

對比信號驅動IO，異步IO的主要區(qū)別在于：

• 信號驅動由內核告訴我們何時可以開始一個IO操作(數(shù)據(jù)在內核緩沖區(qū)中)，而異步IO則由內核通知IO操作何時已經完成(數(shù)據(jù)已經在用戶空間中)。

異步IO又叫做事件驅動IO，在Unix中，為異步方式訪問文件定義了一套庫函數(shù)，定義了AIO的一系列接口。

• 使用aio_read或者aio_write發(fā)起異步IO操作，使用aio_error檢查正在運行的IO操作的狀態(tài)。

目前Linux中AIO的內核實現(xiàn)只對文件IO有效，如果要實現(xiàn)真正的AIO，需要用戶自己來實現(xiàn)。

目前有很多開源的異步IO庫，例如libevent、libev、libuv。

到此，相信大家對“l(fā)inux io是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續(xù)學習！

網(wǎng)站標題：linuxio是什么
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