怎么解析Linux-I/O模型

本篇文章為大家展示了怎么解析Linux-I/O模型，內容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

I/O介紹

I/O通常有內存IO、網絡I/O、磁盤I/O等，但我們通常說的是網絡I/O以及磁盤I/O。網絡I/O：本質是socket讀取

每次I/O請求，都會有兩個階段組成： 第一步：等待數據，即數據從磁盤到內核內存；將數據從磁盤文件先加載到內核內存空間（緩沖區），等待數據準備完成，時間較長。第二步：復制數據，即數據內核內存到進程內存；將數據從內核緩沖復制到用戶空間的進程內存中，時間較短。

Web請求處理過程

1.客戶端發起情況到服務器網卡

2.服務器網卡接受到請求后轉交給內核處理

3.內核根據請求對應的套接字，將請求交給工作在用戶空間的Web服務器進程

4.Web服務器進程根據用戶請求，向內核進行系統調用，申請獲取相應資源（如：客戶端獲取圖片）

5.內核發現Web服務器進程請求的是一個存放在本地硬盤上的資源，因此通過驅動程序連接磁盤

6.內核調用磁盤，獲取需要的資源

7.內核將資源存放在自己的緩存區中，并通知Web服務器進程

8.Web服務器進程通過系統調用取得資源，并將其復制到進程自己的緩沖區中

9.Web服務器進程形成響應，通過系統調用再次發給內核以響應請求

10.內核將響應發送至網卡

11.網卡發送響應給用戶

通過這樣的一個復雜過程，一次請求就完成了

簡單來說就是：

用戶請求——》送達用戶空間——〉系統調用——》內核空間——〉內核到磁盤上讀取圖片資源——》返回到用戶空間——〉響應給用戶

上述簡單的說明了一下，客戶端向Web服務器請求過程，在這個過程中，有兩個I/O過程：一是客戶端請求的網絡I/O，二個是Web服務器請求圖片磁盤I/O。

I/O模型名詞介紹

說到I/O模型，都會牽扯到同步、異步、阻塞、非阻塞這幾個詞，以下講解這幾個詞的概念。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞指的是執行一個操作時等操作結束再返回結果，還是馬上返回結果。

阻塞（blocking）：指IO操作需要徹底完成后才返回到用戶空間，調用結果返回之前，調用者被掛起（當前線程進入非可執行狀態，在這個狀態，CPU不會分配時間片，線程暫停運行）只有到到結果才進入活動狀態；

阻塞例子：海底撈的服務器為你點菜，當你點完菜后，服務員把消息傳到后廚，這時你就在餐桌上等待，直到廚師把湯鍋和配菜都準備好以后送到你桌上，你才能開吃。在上菜的過程中你還不能離開，因為你離開了之后服務員上菜了卻找不到你人，所以你就是能等待，這個時候你處于阻塞等待狀態，就是前面說的，你是調用者，你被掛起了，進入了非可執行狀態。

非阻塞（nonblocking）：指I/O操作被調用后立即返回給用戶一個狀態值，無需等到I/O操作徹底完成，最終的調用結果返回之前，調用者不會被掛起；

非阻塞例子：海底撈的服務器為你點菜，當你點完菜后，服務員把消息傳到后廚，過了三分鐘，你跑到后廚問，我的鍋底或者肥牛卷好了沒有？后廚說沒好，然后你去處理其它事情，然后又過了五分鐘，你又跑到后廚問，我的某個菜好了沒有，如果沒有，你還是繼續做其他事情，然后等會再問一次，這個時候就是在I/O操作的同時，你沒有被掛起，可以操作其他事情，但是如果I/O操作完成，你需要立馬接受。

同步和異步

同步/異步關注的是消息通信機制

同步（synchronous）：調用者等待被調用者返回消息，才能繼續執行。同步阻塞例子：去餐館吃飯，點了一個蓋澆飯，然后在餐桌上一直等到蓋澆飯做好，自己端到餐桌就餐。這就是典型的同步阻塞。當廚師給你做飯的時候，你需要一直在那里等著。

同步非阻塞例子：去餐館吃飯，點了一個蓋澆飯，你點完飯之后，過了幾分鐘感覺時間差不多了，就去問老板飯做好了沒有，如果好了就去端，如果沒好等一會再去問，實時同步做飯進度，依次循環去問直到飯做好，這就是同步非阻塞。 異步（asynchronous）：被調用者通過狀態、通知或回調機制主動通知調用者被調用者的運行狀態。

I/O模型類型

IO模型分為以下五類

1.阻塞型：所有過程全阻塞

2.非阻塞型：如果沒有數據buffer，則立即返回EWOULDBLOCK

3.I/O復用型（select和poll）：在wait和copy階段分別阻塞

4.信號驅動型I/O（SIGIO）：在wait階段不阻塞，但copy階段阻塞（信號驅動I/O），即通知

5.異步I/O（AIO）：完全無阻塞方式，當I/O完成時提供信號

阻塞I/O

說明：應用程序調用一個IO的recvfrom函數，會導致應用程序阻塞，進入阻塞狀態后直到I/O操作結束才會返回；如果系統內核數據沒有準備好，那就一直等待數據準備，因為是調用了recvfrom函數導致了應用程序阻塞，所以一直在等，做不了任何事情，內核數據準備好之后把數據從內核拷貝到用戶空間，拷貝結束后，I/O函數返回成功指示。注：其阻塞時在I/O操作階段

非阻塞I/O

說明：用戶線程發起IO請求時立即返回。但并未讀取到任何數據，則返回字段為“EWOULDBLOCK”，用戶線程需要不斷地發起IO請求，直到數據到達后，才真正讀取到數據，繼續執行。即“輪詢”機制。整個IO請求過程中，雖然用戶線程每次發起IO請求后可以立即返回，但是為了等到數據。仍需要不斷地輪詢、重復請求、消耗了大量的CPU資源；是比較浪費CPU的方式，一般很少用這種模型，而是在其他模型中使用非阻塞IO這一特性。

I/O復用（select和poll）

說明：I/O復用模型會用到select或poll函數，在I/O復用模型中，并不是阻塞到I/O操作過程中，而是阻塞到select或者poll函數中；以select為例：進程在select處阻塞，等待幾個描述符中的一個變為可操作，如果沒等待到就繼續阻塞在第一階段，如果等到了一個描述符變為了可操作，則調用recvfrom函數將數據拷貝到應用緩沖區。

信號驅動I/O（SIGIO）

說明：首先，我們允許套接口進行信號驅動I/O，并安裝一個信號處理函數SIGIO，如果數據沒有準備好，則立即返回結果，進程繼續工作并不阻塞。當數據準備好時，系統內核會主動發送一個SIGIO信號給應用程序，應用程序收到信號后，可以在信號處理函數中調用I/O操作函數recvfrom進行數據處理。信號驅動I/O模型的優點是當數據報到達時，可以不阻塞，主循環可以繼續執行，只是等待處理程序的通知，或者數據已經準備好被處理，或者數據報已經準備好被讀了。

異步I/O（AIO）

說明：當一個異步過程調用發出后，調用者不能立刻得到結果。實際處理這個調用的部件在完成后，通過狀態通知和回調通知來告訴調用者的輸入輸出操作。用戶可以直接對I/O執行讀寫操作，這些操作告訴內核用戶讀寫緩沖區的位置，以及I/O操作完成之后內核通知應用程序的方式，就是上面講的通過狀態通知或者回調通知來告訴調用者。異步I/O的讀寫操作總是立即返回，但沒有返回結果說是否阻塞，因為異步I/O操作真正的讀寫操作已由內核接管，內核自己對數據處理完成后生成一個信號，然后通知用戶剛才交給自己的事件已經處理完成。

五種I/O模型的總結及比較

中文圖示如下：

英文圖示如下：

從兩張圖中我們可以看到，越往后，阻塞越少，理論上效率也是最優。其中五種I/O模型中，前三種屬于同步I/O，后兩者屬于異步I/O。

同步I/O

阻塞I/O 非阻塞I/O I/O復用（select和poll）

異步I/O

信號驅動I/O（SIGIO） 半異步 異步I/O（AIO） 全異步

異步I/O和信號驅動I/O的區別

信號驅動I/O模式下，內核可以復制的時候通知給我們應用程序發送SIGIO信號。異步I/O模式下，內核在所有的操作由內核操作完成后才會通知我們的應用程序。

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