首先我们来看一下这五种I/O分别是什么&＃xff1a;阻塞I/O&＃xff0c;非阻塞I/O&＃xff0c;I/O复用&＃xff0c;信号驱动I/O&＃xff0c;异步I/O
在来看下它们的执行过程&＃xff08;除异步I/O&＃xff09;&＃xff1a;都是分为两步&＃xff0c;首先是等待数据准备&＃xff08;除信号驱动IO外&＃xff0c;其它几种都是自己在等待&＃xff09;&＃xff0c;当数据准备好之后再有内核拷贝到我们的用户空间。
1. 阻塞I/O模型
应用程序调用一个IO函数&＃xff0c;导致应用程序阻塞&＃xff0c;等待数据准备好。
如果数据没有准备好&＃xff0c;一直等待。
数据准备好了&＃xff0c;从内核拷贝到用户空间
IO函数返回成功指示
2. 非阻塞I/O模型
我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核&＃xff0c;当所请求的I/O操作无法完成时&＃xff0c;不要将进程睡眠&＃xff08;或挂起&＃xff09;&＃xff0c;而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好&＃xff0c;如果没有准备好&＃xff0c;继续测试&＃xff0c;直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中&＃xff0c;会大量的占用CPU的时间。其中红色圈出来的过程就是不断在测试数据是否准备好了&＃xff0c;当我们看到数据准备好&＃xff0c;则从内核拷贝到用户&＃xff0c;然后返回成功。
3. I/O复用
I/O复用模型会用到select或者poll函数&＃xff0c;这两个函数也会使进程阻塞&＃xff0c;但是和阻塞I/O所不同的的&＃xff0c;这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作&＃xff0c;多个写操作的I/O函数进行检测&＃xff0c;直到有数据可读或可写时&＃xff0c;才真正调用I/O操作函数。
上层应用程序调用select&＃xff08;该机制由Linux内核支持&＃xff0c;避免了Application3忙等待&＃xff09;&＃xff0c;进行轮询文件描述符的状态变化。当select管理的文件描述符没有数据&＃xff08;或者状态没有变化时&＃xff09;&＃xff0c;上层应用程序也会阻塞&＃xff1b;select机制可以管理多个文件描述符&＃xff1b;select可以看成一个管理者&＃xff0c;用select来管理多个IO。
一旦检测到的一个I/O或者多个IO&＃xff0c;有我们监视的事件发生时&＃xff0c;select函数将返回&＃xff0c;返回值为检测到的事件个数&＃xff0c;进而可以利用select相关API函数&＃xff0c;操作具体事件&＃xff1b;select函数可以设置等待时间&＃xff0c;避免了上层应用程序长期僵死&＃xff1b;和阻塞IO模型相比&＃xff0c;selectI/O复用模型相当于提前阻塞了。等到有数据到来时&＃xff0c;再调用recv就不会发生阻塞。
4. 信号驱动I/O模型
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&＃xff0c;进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时&＃xff0c;进程会收到一个SIGIO信号&＃xff0c;可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。、
这种用于模型用的比较少&＃xff0c;属于典型的“拉模式(上层应用被动的去Linux内核空间中拉数据)”。即&＃xff1a;上层应用需要调用recv函数把数据拉进来,会有时间延迟,我们无法避免在延迟时,会又有新的信号的产生。
5. 异步I/O模型
调用aio_read函数&＃xff0c;告诉内核描述字&＃xff0c;缓冲区指针&＃xff0c;缓冲区大小&＃xff0c;文件偏移以及通知的方式&＃xff0c;然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后&＃xff0c;再通知应用程序。
说明1&＃xff1a;上层应用程序调用aio_read函数&＃xff0c;同时提交一个应用层的缓冲区buf&＃xff1b;调用完毕后&＃xff0c;不会阻塞。上层应用程序可以继续其他任务。
说明2&＃xff1a;当TCP/IP协议缓冲区有数据时&＃xff0c;Linux主动的把内核数据copy到用户空间。然后再给上层应用发送信号&＃xff1b;告诉上层应用数据到来,需要处理&＃xff01;
说明3&＃xff1a;典型的“推模式”
说明4&＃xff1a; 效率最高的一种模式&＃xff0c;上层应用程序Application5有异步处理的能力&＃xff08;在Linux内核的支持下,处理其他任务的同时&＃xff0c;也可支持IO通讯&＃xff09;。
下来我们来了解一些关于阻塞与非阻塞的&＃xff0c;及同步与异步的相关知识。
1. 阻塞与非阻塞
阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果&＃xff08;消息&＃xff0c;返回值&＃xff09;时的状态&＃xff0c;阻塞调用是指调用结果返回之前&＃xff0c;当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前&＃xff0c;该调用不会阻塞当前线程。
2.同步与异步
同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)所谓同步&＃xff0c;就是在发出一个*调用*时&＃xff0c;在没有得到结果之前&＃xff0c;该*调用* 就不返回。但是一旦调用返回&＃xff0c;就得到返回值了。 换句话说&＃xff0c;就是由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。而异步则是相反&＃xff0c;*调用*在发出之后&＃xff0c;这个调用就直接返回了&＃xff0c;所以没有返回结果。 换句话说&＃xff0c;当一个异步过程调用发出后&＃xff0c;调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发 出后&＃xff0c;*被调用者*通过状态、通知来通知调用者&＃xff0c;或通过回调函数处理这个调用。
a. 同步I/O操作引起请求进程阻塞&＃xff0c;直到I/O操作完成。
异步I/O操作不引起请求进程阻塞。
b. 我们的前四个模型都是同步I/O&＃xff0c;只有最后一个异步I/O模型是异步I/O。
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