五種I/O模型簡述-創(chuàng)新互聯(lián)

在說I/O模型之前，我們先來說說同步，異步，阻塞，非阻塞這四種調(diào)用方式的概念：

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      同步：在發(fā)出一個功能調(diào)用時，在沒有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回，通俗點就是必須一件一件的做事，等這件事做完了才能做下一件事；

      異步：異步和同步正好相對，當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立即得到結(jié)果，當該異步調(diào)用完成后，通過狀態(tài)，通知和回調(diào)來通知調(diào)用者。

      阻塞：阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當前線程會被掛起（線程進入非可執(zhí)行狀態(tài)，在這個狀態(tài)之下，cpu不會給線程分配時間片，即線程暫停運行），函數(shù)只有在得到結(jié)果之后才會返回。

       非阻塞：指我們的調(diào)用在不能立即得到結(jié)果之前，該函數(shù)不會阻塞當前線程，而會立即返回。

上面這幾種情況說的通俗點就是下面這幾種情況：

       同步：就是我調(diào)用一個功能，該功能沒有結(jié)束前，我就什么也不干，死等結(jié)果；

       異步：就是我調(diào)用一個功能，不需要知道該功能結(jié)果，該功能有結(jié)果后通知我（回調(diào)通知）；

       阻塞：就是調(diào)用一個功能，該功能沒有得到結(jié)果或接受完數(shù)據(jù)之前，該功能不會返回；

       非阻塞：就是調(diào)用一個功能，該功能立即返回，通過select通知調(diào)用者；

同步IO和異步IO的區(qū)別：數(shù)據(jù)拷貝的時候，進程是否阻塞；

阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別：應(yīng)用程序的調(diào)用是否立即返回。

我們來總結(jié)一下：

      同步就是當一個進程發(fā)起一個函數(shù)（任務(wù)）調(diào)用的時候，一直等待直到函數(shù)（任務(wù)）完成，而進程繼續(xù)處于激活狀態(tài)。而異步情況下是當一個進程發(fā)起一個函數(shù)（任務(wù)）調(diào)用的時候，不會等函數(shù)返回，而是繼續(xù)往下執(zhí)行，當函數(shù)返回的時候，通過狀態(tài)，通知，事件等方式通知進程任務(wù)完成。阻塞是當請求不能滿足的時候，就將進程掛起，而非阻塞不會阻塞當前進程，即阻塞與非阻塞針對的是進程或線程，而同步與異步針對的是功能函數(shù)。

有了上面的理解，我們再分別看看以下的五種I/O模型：

     1.阻塞式I/O模型：進程會一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成。應(yīng)用進程調(diào)用一個I/O函數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用進程阻塞，等待數(shù)據(jù)準備好，如果數(shù)據(jù)沒有準備好，則一直等待，直到數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，I/O函數(shù)函數(shù)返回成功指示。

下面我們來看看阻塞式I/O模型圖，在調(diào)用recvfrom函數(shù)時，發(fā)生在內(nèi)核中等待數(shù)據(jù)和復(fù)制數(shù)據(jù)的過程：

      當調(diào)用recvfrom函數(shù)時，系統(tǒng)首先檢查是否有數(shù)據(jù)準備好，如果數(shù)據(jù)沒有準備好，那么系統(tǒng)就處于等待狀態(tài)，當數(shù)據(jù)準備好之后，將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)緩沖區(qū)復(fù)制到用戶空間，然后改函數(shù)返回。在套接字應(yīng)用程序中，當調(diào)用recvfrom函數(shù)時，未必用戶空間就已經(jīng)存在數(shù)據(jù)，那么此時recvfrom函數(shù)就會處于等待狀態(tài)。

     2.非阻塞式I/O模型：非阻塞式I/O通過進程反復(fù)調(diào)用IO函數(shù)（多次系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回），在數(shù)據(jù)拷貝的過程中，進程是阻塞的。我們把一個socket接口設(shè)置為非阻塞就是告訴內(nèi)核，當所請求的O操作無法完成時，不要將進程睡眠，而是返回一個錯誤。這樣，我們的IO函數(shù)將不斷地測試數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準備好，如果沒有準備好，繼續(xù)測試，知道數(shù)據(jù)準備好為止。在不斷地測試中，會占用CPU大量的時間。

我們來看看非阻塞式I/O模型圖：

      把socket設(shè)置為非阻塞模式，就是在通知內(nèi)核：在調(diào)用socket API函數(shù)時，不要讓線程睡眠，而是讓函數(shù)立即返回，在返回時，該函數(shù)返回一個錯誤代碼。如上圖所示，一個非阻塞式套接字多次調(diào)用recvfrom函數(shù)時，前三次調(diào)用該函數(shù)時，內(nèi)核內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒有準備好，該函數(shù)立即返回EWOULDBLOCK錯誤代碼。第四次調(diào)用recvfrom時，數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，被復(fù)制到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)中，recvfrom函數(shù)返回成功指示，應(yīng)用程序開始處理數(shù)據(jù)。

      3.I/O復(fù)用模型：主要是select或poll，對一個端口兩次調(diào)用，兩次返回，比阻塞I/O并沒有什么優(yōu)越性，關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)同時對多個IO端口進行監(jiān)聽。I/O復(fù)用模型會用到select，poll，epoll函數(shù)，這幾個函數(shù)也會使進程阻塞，但是和阻塞I/O不同的是這兩個函數(shù)可以同時阻塞多個I/O操作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數(shù)進行檢測，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫時，才真正調(diào)用I/O操作函數(shù)。

我們來看看I/O復(fù)用模型圖：

      從上圖可以看到，我們阻塞于select調(diào)用，等待數(shù)據(jù)寶套接字變?yōu)榭勺x。當select返回套接字可讀這一條件時，我們調(diào)用recvfrom把所讀數(shù)據(jù)報復(fù)制到應(yīng)用緩沖區(qū)域。

      4.信號驅(qū)動式I/O模型：兩次調(diào)用，兩次返回。首先我們允許套接口進行信號驅(qū)動I/O，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(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。模型圖如下：

      5.異步I/O模型：數(shù)據(jù)拷貝的時候，進程無需阻塞。當一個異步調(diào)用過程發(fā)生后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果，實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)，通知和回調(diào)來通知調(diào)用者的輸入輸出操作。在這里我們調(diào)用aio_read函數(shù)給內(nèi)核傳遞描述符，緩沖區(qū)指針，緩沖區(qū)大小和文件偏移，并告訴內(nèi)核整個操作完成后，如何通知我們。該系統(tǒng)調(diào)用立即返回，而且在等待I/O完成期間，我們的進程不會被阻塞。當內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)后，在通知應(yīng)用進程。下面是模型圖：

我們來總結(jié)一下各種I/O模型的比較：

       我們從下圖的比較中可以看到，前四種模型的區(qū)別主要在意第一階段，因為他們的第一階段是一樣的：在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到進程的應(yīng)用緩沖區(qū)期間，進程阻塞于recvfrom調(diào)用。而異步I/O模型這兩個階段都要處理。

我們的前四種模型都屬于同步I/O模型，而第五種模型屬于異步I/O模型。

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