I/O模型和I/O复用

概述和问题

当TCP客户同事处理两个输入:标准输入和TCP套接字。我们遇到的问题是就在客户阻塞于(标准输入上的)fgets 调用期间,服务器进程会被杀死。服务器TCP虽然正确地给TCP发送了一个FIN,但是既然客户进程正阻塞于标准输入读入的过程,它将看不到这个EOF,知道套接字读时为止(可能已过了很长时间)。这样的进程需要一种预先告知内核的能力,使得内核一旦发现进程指定的一个或者多个I/O条件就绪(也就是说输入已准备好被读取,或者描述符已能承接更多的输入),它就通知进程。这个能力成为I/O复用

通俗来说地讲 I/O多路复用,又称事件驱动,多个描述符的I/O操作都能在一个线程内并发交替地顺序完成,这里的“复用”是指复用同一个线程

一、I/O模型

当我们在复杂的服务器上编程时会遇到很多问题,其中I/O问题就是其中的一个,所以我们要熟知Linux中各种I/O模型。

  • 阻塞式I/O
  • 非阻塞式I/O
  • I/O复用(select,poll和epoll)
  • 信号驱动式I/O(SIGIO)
  • 异步I/O(POSIX的aio_系列函数)

1、阻塞式I/O

当前最流行的I/O模型是阻塞式I/O模型,在默认情境下,所有套接字都是阻塞的包括acceptsendrecvconnect,针对于阻塞I/O执行的系统调用可能因为无法立即完成而被系统挂起,直到等待的事件发生为止。

阻塞式I/O模型.png

2、非阻塞I/O

当我们在创建socket的时候默认是阻塞的。我们可以给socket系统调用的第二个参数传递SOCK_NONBLOCK标志,或者通过fcntl系统调用的F_SETFL命令,将其设置为非阻塞的。针对于非阻塞I/O执行的系统调用则总是立即返回,而不管事件是否已经发生。如果事件没有立即返回,这些系统调用就返回-1,和出错的情况一样。此时我们必须根据errno来区分这两种情况。对于accept、send和recv而言。事件未发生时errno通常被设置为EAGAIN(再来一次)。或者EWOULDBLOCK(期望阻塞),对于connect而言,errno则被设置为EINPROGRESS(处理中)

很显然只有在时间已经发生了情况下操作非阻塞I/O可以提高程序的效率。因此非阻塞I/O通常要和其他I/O通知机制一起使用,比如I/O复用和SIGIO信号。

非阻塞式I/O模型.png

3、IO复用模型

I/O复用是最常使用的I/O通知机制,它指的是,应用程序通过I/O复用函数向内核注册一组事件,内核通过I/O复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序。Linux上常用的I/O复用函数本身是阻塞的,它们能提高程序效率的原因在于它们具有同时监听多个I/O时间的能力

IO复用模型.png

4、信号驱动I/O模型

我们也可以用信号,让内核在描述符就绪时发送SIGNO信号通知我们,


信号驱动式I/O模型.png

5、异步I/O模型

从理论上说,阻塞I/O、I/O复用和信号驱动I/O都是同步I/O模型

因为在这三种I/O模型中,I/O的读写操作,都是在I/O事件发生之后,由应用程序来完成的。而在POSIX规范所定义的异步I/O模型则不同。对异步I/O而言,用户可以直接对I/O执行读写操作,这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置,以及I/O操作完成之后内核通知应用程序的方式。异步I/O的读写操作总是立即返回,而不论I/O是否阻塞的,因为真正的读写操作已经由内核接管。也就是说,同步I/O模型要求用户代码自行执行I/O操作( 将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区,或将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区),而异步I/O机制则由内核来执行I/O操作(数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的移动是由内核在“后台”完成的)。可以这么认为,同步I/O向应用程序通知的是I/O就绪事件,而异步I/O向应用程序通知的是I/O完成事件。Linux环境下,aio.h头文件中定义的函数提供了对异步I/O的支持。

异步I/O模型.png

同步I/O模型通常用于实现Reactor模型,而异步I/O模型则用于实现Proactor模型,有关Reactor模型的内容,在我博客内有一篇文章《Reactor模式详解》专门讲解。

6、模型比较

5中I/O模型比较.png
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