多种IO模型

本篇文章是作为学习NIO的前置文章的,在学习NIO之前必须得了解一下IO模型。

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:

  • 第一阶段:等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。
  • 第二阶段:将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

对于socket流而言:
第一步:通常涉及等待网络上的数据分组到达,然后被复制到内核的某个缓冲区。
第二步:把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

网络应用需要处理的无非就是两大类问题,网络IO,数据计算。相对于后者,网络IO的延迟,给应用带来的性能瓶颈大于后者。网络IO的模型大致有如下几种:

  • 阻塞IO(bloking IO)
  • 非阻塞IO(non-blocking IO)
  • 多路复用IO(multiplexing IO)
  • 信号驱动式IO(signal-driven IO)
  • 异步IO(asynchronous IO)

阻塞I/O模型

默认情况下,socket都是阻塞类型的,一个典型的读流程应该是这样的:


阻塞IO模型.png
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

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。

非阻塞I/O模型

非阻塞IO模型.png

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。

I/O多路复用

最常用的的I/O事件通知机制就是I/O复用。Linux 环境中使用select/poll/epoll_wait 实现I/O复用,I/O复用接口本身是阻塞的,在应用程序中通过I/O复用接口向内核注册fd所关注的事件,当关注事件触发时,通过I/O复用接口的返回值通知到应用程序。I/O复用接口可以同时监听多个I/O事件以提高事件处理效率。
使用 select 或者 poll 等待数据,并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读,这一过程会被阻塞,当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。
它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O,即事件驱动 I/O

IO复用模型.png
IO多路复用的理解.png
NIO如何实现多路复用.png
SIGIO 信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用,内核立即返回,应用进程可以继续执行,也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号,应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式,信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。


信号驱动IO.png
AIO 异步IO(asynchronous IO AIO)

进行 aio_read 系统调用会立即返回,应用进程继续执行,不会被阻塞,内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于,异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成,而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。


异步IO.png

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