【Linux基础】Linux的5种IO模型详解

引入

为了更好的理解5种IO模型的区别，在介绍IO模型之前，我先介绍几个概念

1.进程的切换

（1）定义

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。即从用户态（较低的3G字节）切换到内核态（最高的1G字节），非常消耗系统资源。

（2）过程

• 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
• 更新PCB信息。
• 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
• 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
• 更新内存管理的数据结构。
• 恢复处理机上下文。

2.进程的阻塞

（1）定义

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，由运行状态变为阻塞状态。

（2）特点

• 只有处于运行状态的进程（获得CPU）才能被阻塞
• 阻塞是主动行为
• 不占用CPU资源

3.文件描述符

（1） 定义

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用于描述指向文件的引用的抽象化概念

（2） 特点

• 一个非负整数
• 本质是一个索引值，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

4.缓存IO

• IO的数据缓存在文件系统的页缓存中（先拷贝到内核的缓冲区）

• 在应用程序和内核间多次数据拷贝，带来很大的CPU开销

5.并发与并行

• 并发：同时进行的任务数

• 并行：同时工作的物理资源数量（如CPU核数）

5种IO模型

• IO的本质是socket的读取，数据先拷贝到内核的缓冲区中，然后拷贝到应用程序的地址空间（进程）

1.BIO（blocking IO）：同步阻塞 I/O

（1）过程

分析：从上图可以看到在整个过程中，当用户进程进行系统调用时，内核就开始了I/O的第一个阶段，准备数据到缓冲区中，当数据都准备完成后，则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中，这时用户进程才解除block的状态重新运行。

（2）实例

• Blocking I/O是在I/O执行的两个阶段都被block了。

• 例如：我要去饭堂吃饭，这时饭堂的人很多，我就得排队买饭，排队的时间被浪费了，

（3）特点

• 能够及时返回数据，无延迟
• 性能下降

2.NIO（nonblocking IO）：同步非阻塞 I/O

（1）过程

分析：从上图可以看到在I/O执行的两个阶段中，用户进程只有在第二个阶段被阻塞了，而第一个阶段没有阻塞，但是在第一个阶段中，用户进程需要盲等，不停的去轮询内核，看数据是否准备好了。

（2）实例

• nonblocking I/O是在I/O执行的第二个阶段（数据复制）被block了，而第一个阶段并未阻塞（数据准备）。

• 例如：我要去饭堂吃饭，这时饭堂的人很多，一般来说我需要排队买饭，但我们饭堂的管理最近变的比较人性化，你点完饭后，会给你一个号码，但饭堂噪声很大，我不得不频繁的询问我的饭是否做好了，但是我可以利用之前排队的时间去买瓶饮料喝！

（3）特点

• 拷贝数据的整个过程，进程仍然是阻塞的
• 需要不断询问数据是否准备好了
• 能够在等待任务完成的过程中处理其他事件
• 由于需要轮询，所以延迟会增加

3.多路复用IO（ IO multiplexing）

（1）过程

分析：

• 从上图可以看到在I/O复用模型中，由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，

• 如果循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。轮询不是进程的用户态。这时 “IO 多路复用”就出现了。即UNIX/Linux 的 select、poll、epoll，

• IO多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。

• 从整个IO过程来看，他们都是顺序执行的，因此可以归为同步模型(synchronous)。都是进程主动等待且向内核检查状态

（2）实例

• 多路复用I/O执行的两个阶段用户进程都是阻塞的，但是两个阶段是独立的。

• 例如：我要去饭堂吃饭，这时饭堂的人很多，点完饭后，我会拿到一个号码，以前我不得不频繁的询问我的饭做好了没，但是最近饭堂安装了一块电子显示屏，你的饭好了就会在屏上显示出来，这时候我就不用频繁的去问了，直接看电子显示屏就醒了，然后我就可以利用这个时间去超市买个牙膏了。

（3）特点

• select/poll调用后会阻塞进程，但可以同时阻塞多个IO事件操作（文件描述符），有数据可读或可写（就绪事件），就通知用户进程。

• select 需要每次注册事件（轮询），而epoll不需要每次注册事件（没有轮询，回调函数）

• IO多路复用阻塞在select/epoll的系统调用之上的，而真正的IO系统调用如recvfrom是非阻塞的。

（4）适用场景

• 服务器需要同时处理多个处于监听状态或连接状态的套接字

• 服务器需要处理多种网络协议的套接字

4.信号驱动I/O（ signal driven IO）

（1）过程

分析：从上图可以看出，只有在I/O执行的第二阶段阻塞了用户进程，而在第一阶段是没有阻塞的。该模型在I/O执行的第一阶段，当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，即对用户进程做一个回调。该通知分为两种，一为水平触发，即如果用户进程不响应则会一直发送通知，二为边缘触发，即只通知一次。

（2）实例

• 信号驱动I/O执行的第一阶段阻塞，而第二阶段不阻塞。

• 例如：我要去饭堂吃饭，这时饭堂的人很多，点完饭后，我会拿到一个号码，虽然说饭堂安装了一块电子显示屏，但我在玩手机时还不得不抬头看一下显示屏上有我的号码没，最近饭堂买了一个大喇叭，哪个号码好了，卖饭的阿姨就会用喊，虽说饭堂有点吵，但这个声音还是可以听到的，这样我就可以专心的低头玩手机了。

5.异步 I/O（asynchronous IO）

（1）过程

分析：从上图可以看出，在该模型中，当用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其它的事情，然后直到I/O执行的两个阶段都完成之后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。

（2）实例

• 异步 I/O执行的两个阶段都不会阻塞。

• 例如：我要去饭堂吃饭，估计这会饭堂的人很多，但最近我们饭堂可以叫外卖了，这样就省事多了，我直接打个电话，订份饭送到我们宿舍，而我现在就可以利用原来去饭堂路上和等饭的时间写博客了。

• 这就是同步和异步的区别，原来我得亲自去饭堂买饭，而现在我可以在宿舍叫外卖。

（3）特点

• 读写操作由内核完成，完成后内核将数据放到指定的缓冲区，通知应用程序来取。

总结

• 阻塞IO和非阻塞IO的区别：数据准备的过程中,进程是否阻塞。

• 同步IO和异步IO的区别：数据拷贝的过程中,进程是否阻塞。

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参考资料：聊聊Linux 五种IO模型