Linux企业实战-漫谈5种io模型

水深无声 2023-07-12 03:37 165阅读 0赞

## 1.IO 简述 ##

IO (Input/Output，输入/输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间<–>内核空间、内核空间<–>设备空间（磁盘、网络等）。  
![在这里插入图片描述][20200306175717276.png]  
IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。

LINUX中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。

对于一个输入（读取到内存）操作来说，进程IO系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备IO一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

所以，对于一个网络输入（读取网络资源）的操作，通常包括两个部分

（1）等待网络数据到达网卡 --> 读取到内核空间 (这个过程就是准备数据)  
（2）从内核缓冲区复制数据到进程空间，然后具体的用户函数，把结果返回。

IO 操作发生时一般涉及两个对象，一个是调用这个IO的 process (or thread) ，另一个就是系统内核 (kernel)

## 2.IO 模型介绍 ##

一共有五种 IO 模型  
（1）阻塞 IO  
（2）非阻塞 IO  
（3）多路复用 IO  
（4）信号驱动 IO  
（5）异步 IO  
其中，前面4种是同步IO，最后一个是异步IO  
（1）阻塞 IO  
阻塞I/O模型示意图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个l0处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据小明去火车站买票，排队三天买到一张退票。耗费：在车站吃喝拉撒睡3天，其他事一件没干  
（2）非阻塞 IO  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到I0设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞；进程发起I0系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。  
对上面的阻塞l0模型来说，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞小明去火车站买票，隔12小时去火车站问有没有退票，三天后买到一张票。耗费：往返车站6次，路上6小时，其他时间做了好多事  
（3）多路复用 IO  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
\*\*多个的进程的I0可以注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程调用该select，select会监听所有注册进来的lO；  
如果select没有监听的I0在内核缓冲区都没有可读数据，select调用进程会被阻塞；而当任一I0在内核缓冲区中有可数据时，select调用就会返回；  
而后select调用进程可以自己或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取lO，读取内核中准备好的数据典型应用：select、poll、epoll三种方案，nginx都可以选择使用这三个方案

select、poll、epollLinux中l0复用的实现方式主要有  
select、poll和epoll：  
Select：注lO、阻塞扫描，监听的IO最大连接数不能多于FD\_SIZE；  
Poll：原理和Select相似，没有数量限制，但IO数量大扫描线性性能下降；  
Epoll：事件驱动不阻塞，mmap实现内核与用户空间的消息传递，数量很大，Linux2.6后内核支持

> 1.select/poll  
> 小明去火车站买票，委托黄牛，黄牛三天内买到票，然后打便所有人要买票人的电话找到小明，小明去火车站交钱领票。T  
> 耗费：往返车站2次，路上2小时，黄牛手续费100元，等待通知3小时  
> 2.epoll  
> 小明去火车站买票，委托黄牛，黄牛买到后即通知小明去领，然后小明去火车站交钱领票。  
> 耗费：往返车站2次，路上2小时，黄牛手续费100元，无需打电话

（4）信号驱动 IO  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
当进程发起一个l0操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据小明去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知小明，然后小明去火车站交钱领票。  
耗费：往返车站2次，路上2小时，免黄牛费100元，无需打电话  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
当进程发起一个lO操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回果结；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果I0操作成功则进程直接获取到数据

> 小明去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知小明并快递送票上门。  
> 耗费：往返车站1次，路上1小时，免黄牛费100元，无需打电话

(5)异步 IO模型  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
用户进程发起aio\_read（POSIX异步IO函数aio\_或者lio\_开头）操作之后、给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小和read相同的三个参数以及文件偏移（与lseek类似）、告诉内核当整个操作完成时、如何通知我们、立刻就可以开始去做其它的事、而另一方面、从内核的角度、当它受到一个aio\_read之后、首先它会立刻返回、所以不会对用户进程产生任何阻塞、然后、内核会等待数据准备完成、然后将数据拷贝到用户内存、当这一切都完成之后、内核会给用户进程发送一个信号、告诉它aio\_read操作完成了

> 通俗的举例就是：  
> 老李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知老李并快递送票上门。  
> 耗费：往返车站1次，路上1小时，免黄牛费100元，无需打电话

异步IO的工作机制是：告知内核启动某个操作、并让内核在整个操作完成后通知我们、这种模型与信号驱动的IO区别在于、信号驱动IO是由内核通知我们何时可以启动一个IO操作、这个IO操作由用户自定义的信号函数来实现、而异步IO模型是由内核告知我们IO操作何时完成、

在异步IO模型中、真正实现了POSIX描述的异步IO、是五种IO模型中唯一的异步模型  
典型应用：Java 7 AIO、高性能服务器应用不阻塞、数据一步到位、Proactor模式需要操作系统的底层支持、LINUX 2.5 版本内核首现、2.6 版本产品的内核标准特性  
回调机制、实现、开发应用难度大非常适合高性能高并发应用

[20200306175717276.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306175717276.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306180150699.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306180330669.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/2020030618050545.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306180701270.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306180732146.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306180853298.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3,size_16,color_FFFFFF,t_70