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五種常見的IO模型
時(shí)間：2017-09-22 來源：未知
五種常見的IO模型
第一部分：必須理解的幾個(gè)重要概念
(1) 用戶空間和內(nèi)核空間
現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是采用虛擬存儲(chǔ)器，那么對(duì)32位操作系統(tǒng)而言，它的尋址空間（虛擬存儲(chǔ)空間）為4G（2的32次方）。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問受保護(hù)的內(nèi)存空間，也有訪問底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核（kernel），保證內(nèi)核的安全，操心系統(tǒng)將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為內(nèi)核空間，一部分為用戶空間。針對(duì)linux操作系統(tǒng)而言，將高的1G字節(jié)（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供內(nèi)核使用，稱為內(nèi)核空間，而將較低的3G字節(jié)（從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為用戶空間。
內(nèi)核空間Kernel
（3G-4G）
用戶空間
（0G-3G）
(2) 進(jìn)程切換
為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。這種行為被稱為進(jìn)程切換。因此可以說，任何進(jìn)程都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行的，是與內(nèi)核緊密相關(guān)的。
從一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行轉(zhuǎn)到另一個(gè)進(jìn)程上運(yùn)行，這個(gè)過程中經(jīng)過下面這些變化：
1. 保存處理機(jī)上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 把進(jìn)程的PCB移入相應(yīng)的隊(duì)列，如就緒、在某事件阻塞等隊(duì)列。
4. 選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，并更新其PCB。
5. 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
6. 恢復(fù)處理機(jī)上下文。
注：總而言之就是很耗資源
(3) 進(jìn)程的阻塞
正在執(zhí)行的進(jìn)程，由于期待的某些事件未發(fā)生，如請(qǐng)求系統(tǒng)資源失敗、等待某種操作的完成、新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)或無新工作做等，則由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語(Block)，使自己由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。可見，進(jìn)程的阻塞是進(jìn)程自身的一種主動(dòng)行為，也因此只有處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程（獲得CPU），才可能將其轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，是不占用CPU資源的。
(4) 文件描述符
文件描述符（File descriptor）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)術(shù)語，是一個(gè)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個(gè)非負(fù)整數(shù)。實(shí)際上，它是一個(gè)索引值，指向內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程所維護(hù)的該進(jìn)程打開文件的記錄表。當(dāng)程序打開一個(gè)現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符。在程序設(shè)計(jì)中，一些涉及底層的程序編寫往往會(huì)圍繞著文件描述符展開。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux這樣的操作系統(tǒng)。
(5) 緩存I/O
緩存 I/O 又被稱作標(biāo)準(zhǔn) I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn) I/O 操作都是緩存 I/O。在 Linux 的緩存 I/O 機(jī)制中，操作系統(tǒng)會(huì)將 I/O 的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁緩存（ page cache ）中，也就是說，數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。
緩存 I/O 的缺點(diǎn)：
數(shù)據(jù)在傳輸過程中需要在應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核進(jìn)行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來的 CPU 以及內(nèi)存開銷是非常大的。
第二部分：IO模型
上面已經(jīng)提到，對(duì)于一次IO訪問（以read舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。所以說，當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
1. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)
2. 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)
正是因?yàn)檫@兩個(gè)階段，linux系統(tǒng)產(chǎn)生了下面五種網(wǎng)絡(luò)模式的方案：
- 阻塞 I/O（blocking IO）
- 非阻塞 I/O（nonblocking IO）
- I/O 多路復(fù)用（ IO multiplexing）
- 信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O（ signal driven IO）
- 異步 I/O（asynchronous IO）
(1) 阻塞I/O
在linux中，默認(rèn)情況下所有的socket都是blocking，一個(gè)典型的讀操作流程大概是這樣：
當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，kernel就開始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（對(duì)于網(wǎng)絡(luò)IO來說，很多時(shí)候數(shù)據(jù)在一開始還沒有到達(dá)。比如，還沒有收到一個(gè)完整的UDP包。這個(gè)時(shí)候kernel就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來）。這個(gè)過程需要等待，也就是說數(shù)據(jù)被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中是需要一個(gè)過程的。而在用戶進(jìn)程這邊，整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞（當(dāng)然，是進(jìn)程自己選擇的阻塞）。當(dāng)kernel一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel中拷貝到用戶內(nèi)存，然后kernel返回結(jié)果，用戶進(jìn)程才解除block的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來。
所以，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了。
(2) 非阻塞I/O
linux下，可以通過設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對(duì)一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)，流程是這個(gè)樣子：
當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，那么它并不會(huì)block用戶進(jìn)程，而是立刻返回一個(gè)error。從用戶進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個(gè)read操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送read操作。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存，然后返回。
所以，nonblocking IO的特點(diǎn)是用戶進(jìn)程需要不斷的主動(dòng)詢問kernel數(shù)據(jù)好了沒有。
(3) I/O多路復(fù)用
IO multiplexing就是我們說的select，poll，epoll，有些地方也稱這種IO方式為event driven IO。select/epoll的好處就在于單個(gè)process就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll這個(gè)function會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程。
當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了select，那么整個(gè)進(jìn)程會(huì)被block，而同時(shí)，kernel會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的socket，當(dāng)任何一個(gè)socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回。這個(gè)時(shí)候用戶進(jìn)程再調(diào)用read操作，將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進(jìn)程。
所以，I/O 多路復(fù)用的特點(diǎn)是通過一種機(jī)制一個(gè)進(jìn)程能同時(shí)等待多個(gè)文件描述符，而這些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一個(gè)進(jìn)入讀就緒狀態(tài)，select()函數(shù)就可以返回。
這個(gè)圖和blocking IO的圖其實(shí)并沒有太大的不同，事實(shí)上，還更差一些。因?yàn)檫@里需要使用兩個(gè)system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調(diào)用了一個(gè)system call (recvfrom)。但是，用select的優(yōu)勢(shì)在于它可以同時(shí)處理多個(gè)connection。
所以，如果處理的連接數(shù)不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優(yōu)勢(shì)并不是對(duì)于單個(gè)連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。）
在IO multiplexing Model中，實(shí)際中，對(duì)于每一個(gè)socket，一般都設(shè)置成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個(gè)用戶的process其實(shí)是一直被block的。只不過process是被select這個(gè)函數(shù)block，而不是被socket IO給block。
(4) 信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O
首先我們?cè)试S套接口進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O,并安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，進(jìn)程會(huì)收到一個(gè)SIGIO信號(hào)，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。
(5) 異步I/O
Linux下的asynchronous IO其實(shí)用得很少。先看一下它的流程：
用戶進(jìn)程發(fā)起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當(dāng)它受到一個(gè)asynchronous read之后，首先它會(huì)立刻返回，所以不會(huì)對(duì)用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block。然后，kernel會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)這一切都完成之后，kernel會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal，告訴它read操作完成了。
第三部分：總結(jié)
(1) blocking和non-blocking的區(qū)別
調(diào)用blocking IO會(huì)一直block住對(duì)應(yīng)的進(jìn)程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況下會(huì)立刻返回。
(2) synchronous IO和 asynchronous IO的區(qū)別
在說明synchronous IO和asynchronous IO的區(qū)別之前，需要先給出兩者的定義。POSIX的定義是這樣子的：
- 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;
兩者的區(qū)別就在于synchronous IO做”IO operation”的時(shí)候會(huì)將process阻塞。按照這個(gè)定義，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都屬于synchronous IO。
有人會(huì)說，non-blocking IO并沒有被block啊。這里有個(gè)非常“狡猾”的地方，定義中所指的”IO operation”是指真實(shí)的IO操作，就是例子中的recvfrom這個(gè)system call。non-blocking IO在執(zhí)行recvfrom這個(gè)system call的時(shí)候，如果kernel的數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，這時(shí)候不會(huì)block進(jìn)程。但是，當(dāng)kernel中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時(shí)候，recvfrom會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶內(nèi)存中，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程是被block了，在這段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)程是被block的。
而asynchronous IO則不一樣，當(dāng)進(jìn)程發(fā)起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發(fā)送一個(gè)信號(hào)，告訴進(jìn)程說IO完成。在這整個(gè)過程中，進(jìn)程完全沒有被block。
(3) 幾種IO模型的比較
可以發(fā)現(xiàn)non-blocking IO和asynchronous IO的區(qū)別還是很明顯的。在non-blocking IO中，雖然進(jìn)程大部分時(shí)間都不會(huì)被block，但是它仍然要求進(jìn)程去主動(dòng)的check，并且當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，也需要進(jìn)程主動(dòng)的再次調(diào)用recvfrom來將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存。而asynchronous IO則完全不同。它就像是用戶進(jìn)程將整個(gè)IO操作交給了他人（kernel）完成，然后他人做完后發(fā)信號(hào)通知。在此期間，用戶進(jìn)程不需要去檢查IO操作的狀態(tài)，也不需要主動(dòng)的去拷貝數(shù)據(jù)。
