Linux IO模式

参考

1. Linux IO模式及 select、poll、epoll详解

文章内容主要摘抄自1. Linux IO模式及 select、poll、epoll详解

1. 概念说明

在进行解释之前,首先要说明几个概念:

  • 用户空间和内核空间、用户态与内核态
  • 进程切换
  • 进程的阻塞
  • 文件描述符
  • 缓存 I/O
  • 同步、异步、阻塞、非阻塞

1.1. 用户空间与内核空间、用户态与内核态

现在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操作系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel),保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。
用户程序处于内核态时可以访问内核空间和用户空间,处于用户态时,只能访问用户空间。通常用户程序始于用户态,在运行过程中会出现内核态和用户态的转换。


应用程序和内核

用户态切换为内核态的三种情况如下:

  • 系统调用:为了使上层应用能够访问到这些资源,内核为上层应用提供访问的接口
  • 异常事件: 当CPU正在执行运行在用户态的程序时,突然发生某些预先不可知的异常事件,这个时候就会触发从当前用户态执行的进程转向内核态执行相关的异常事件,典型的如缺页异常
  • 外围设备的中断:当外围设备完成用户的请求操作后,会像CPU发出中断信号,此时,CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令,转而去执行中断信号对应的处理程序,如果先前执行的指令是在用户态下,则自然就发生从用户态到内核态的转换。

系统调用的本质其实也是中断,相对于外围设备的硬中断,这种中断称为软中断。从触发方式和效果上来看,这三种切换方式是完全一样的,都相当于是执行了一个中断响应的过程。但是从触发的对象来看,系统调用是进程主动请求切换的,而异常和硬中断则是被动的。

1.2. 进程切换

为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说,任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行,这个过程中经过下面这些变化:
0. 保存虚拟内存现场(TLB失效,这也是比线程切换成本大的主要原因)
1. 保存处理机上下文,包括程序计数器和其他寄存器。
2. 更新PCB(Process Control Block)信息。
3. 把进程的PCB移入相应的队列,如就绪、在某事件阻塞等队列。
4. 选择另一个进程执行,并更新其PCB。
5. 更新内存管理的数据结构。
6. 恢复处理机上下文。

注:总而言之就是很耗资源,具体的可以参考这篇文章:进程切换

1.3. 进程的阻塞

正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的。

1.4. 文件描述符

文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个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个非负整数。实际上,它是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

1.5. 缓存 IO

缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存( page cache )中,也就是说,数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

缓存 I/O 的缺点
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作,这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

1.6. 同步、异步、阻塞、非阻塞

以烧水为例。

故事:老王烧开水。
出场人物:老王,水壶两把(普通水壶,简称水壶;会响的水壶,简称响水壶)。
老王想了想,有好几种等待方式
1.老王用水壶煮水,并且站在那里,不管水开没开,每隔一定时间看看水开了没。-同步阻塞
老王想了想,这种方法不够聪明。
2.老王还是用水壶煮水,不再傻傻的站在那里看水开,跑去寝室上网,但是还是会每隔一段 时间过来看看水开了没有,水没有开就走人。-同步非阻塞
老王想了想,现在的方法聪明了些,但是还是不够好。
3.老王这次使用高大上的响水壶来煮水,站在那里,但是不会再每隔一段时间去看水开,而是等水开了,水壶会自动的通知他。-异步阻塞
老王想了想,不会呀,既然水壶可以通知我,那我为什么还要傻傻的站在那里等呢,嗯,得换个方法。
4.老王还是使用响水壶煮水,跑到客厅上网去,等着响水壶自己把水煮熟了以后通知他。- 异步非阻塞
老王豁然,这下感觉轻松了很多。

  • 同步和异步
    同步就是烧开水,需要自己去轮询(每隔一段时间去看看水开了没),异步就是水开 了,然后水壶会通知你水已经开了,你可以回来处理这些开水了。 同步和异步是相对于操作结果来说,会不会等待结果返回。
  • 阻塞和非阻塞
    阻塞就是说在煮水的过程中,你不可以去干其他的事情,非阻塞就是在同样的情况下, 可以同时去干其他的事情。阻塞和非阻塞是相对于线程是否被阻塞。

2. IO 模式

刚才说了,对于一次IO访问(以read举例),数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:

  1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
  2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

正式因为这两个阶段,linux系统产生了下面五种网络模式的方案。

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

注:由于signal driven IO在实际中并不常用,所以我这只提及剩下的四种IO Model。

2.1. 阻塞 I/O(blocking IO)

在linux中,默认情况下所有的socket都是blocking,一个典型的读操作流程如下:

阻塞 IO

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据(对于网络IO来说,很多时候数据在一开始还没有到达。比如,还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来)。这个过程需要等待,也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞(当然,是进程自己选择的阻塞)。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除block的状态,重新运行起来。

所以,blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

2.2. 非阻塞 I/O(nonblocking IO)

linux下,可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时,流程如下:


非阻塞 IO

当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error。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。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。

所以,nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

2.3. I/O 多路复用( IO multiplexing)

IO multiplexing就是我们说的select,poll,epoll,有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select,poll,epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。


IO 多路复用

当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。

所以,I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符,而这些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一个进入读就绪状态,select()函数就可以返回。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同,事实上,还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom),而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是,用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

所以,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。)

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。

2.4. 异步 I/O(asynchronous IO)

inux下的asynchronous IO其实用得很少。流程如下:

异步 IO

用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它收到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。

和同步 IO 相比,异步 IO 就是把数据从内核缓存拷贝到用户内存的事情也是后台并行做了

3. 总结

3.1. blocking和non-blocking的区别

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

3.2. synchronous IO和asynchronous IO的区别

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前,需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的:

  • A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
  • An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做“IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义,之前所述的blocking IO,non-blocking IO,IO multiplexing都属于synchronous IO。

有人会说,non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方,定义中所指的“IO operation”是指真实的IO操作,就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候,如果kernel的数据没有准备好,这时候不会block进程。但是,当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中,这个时候进程是被block了,在这段时间内,进程是被block的。

而asynchronous IO则不一样,当进程发起IO 操作之后,就直接返回再也不理睬了,直到kernel发送一个信号,告诉进程说IO完成。在这整个过程中,进程完全没有被block。也就是说,数据从kernel拷贝到用户内存是后台并行完成的,不会block进程

3.3. 各个IO Model的比较汇总

各个 IO 模式的比较

通过上面的图片,可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中,虽然进程大部分时间都不会被block,但是它仍然要求进程去主动的check,并且当数据准备完成以后,也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人(kernel)完成,然后他人做完后发信号通知。在此期间,用户进程不需要去检查IO操作的状态,也不需要主动的去拷贝数据。

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