【Linux】Linux/Unix五種I/O模型

Linux/Unix五種I/O模型

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• 遊雙-《Linux高性能伺服器程式設計》
• 牛客網-​​Linux高并發伺服器開發​​

阻塞-blocking

• 調用者調用了某個函數，然後等待這個函數傳回，在這期間​

  ​什麼都不做​

  ​​，​

  ​不停的去檢查這個函數有沒有傳回​

  ​，應用程式必須等這個函數傳回才能進行下一步的動作。

• 即，針對阻塞I/O執行的系統調用可能因為無法立即完成而被作業系統​

  ​挂起​

  ​，直到等待的時間發生為止，才可以繼續執行下一步的操作。

• 可能被阻塞的系統調用包括accept、send、recv、connect。

非阻塞-non blocking (NIO)

• ​

  ​非阻塞I/O執行系統調用總是立即傳回，不管事件是否已經發生​

  ​​，若事件沒有發生，則傳回-1，此時可以根據errno區分這兩種情況，對于accept、recv和send、事件未發生時，errno通常被設定成​

  ​EAGAIN​

  ​。
• 我們隻有在事件已經發生的情況下操作非阻塞I/O，才能提高程式的效率。是以，​

  ​非阻塞I/O通常要和其它I/O通知機制一起使用​

  ​，比如I/O多路複用和SIGIO信号。

I/O複用-IO multiplexing

• ​

  ​I/O多路複用是最常用的I/O通知機制​

  ​。
• 它指的是: ​

  ​應用程式通過I/O複用函數向核心注冊一組事件，核心通過I/O複用函數把其中就緒的事件通知給應用程式​

  ​。
• 在單程序/線程的情況下，可以檢測多個客戶的事件是否發生。
• I/O複用函數本身也是阻塞的，它們能提高程式效率的原因在于它們​

  ​可以同時監聽多個I/O事件​

  ​。
• 單單使用I/O多路複用并不能處理高并發，而要處理高并發還是需要結合多程序/線程。

信号驅動-signal driven

• 為某一程序安裝一個信号處理函數，程序運作，當I/O事件就緒，該程序收到SIGIO信号，然後開始處理I/O事件。

• 我們可以為目标檔案描述符指定宿主程序，被指定的宿主程序将捕獲到SIGIO信号，當目标問檔案名描述符上有事件發生時，SIGIO信号的信号處理函數将被觸發，我們可​

  ​在該信号處理函數中對目标檔案描述符執行非阻塞I/O操作​

  ​。

• 核心在第一個階段是​

  ​異步​

  ​​，在第二個階段是​

  ​同步​

  ​​；信号驅動I/O與非阻塞I/O的差別在于它提供了​

  ​消息通知機制​

  ​，不需要使用者程序不斷的輪詢檢查，減少了系統調用的次數，提高了效率。

• 補充:

• 同步與異步: ​

  ​同步是執行或調用一個方法時，每次都需要拿到對應的結果才會繼續往後執行；異步與同步相反，它會在執行或調用一個方法後就繼續往後執行，不會等待擷取執行結果。二者的差別就是處理請求發出後，是否需要等待請求結果，再去繼續執行其他操作。​

  ​——來源​​線程與同步異步​​

異步I/O-asynchronous

• 從理論上來講，阻塞I/O、I/O複用和信号驅動I/O都是​

  ​同步I/O​

  ​模型，因為在這三種I/O模型中，I/O的讀寫操作，都是在I/O事件發生之後，由應用程式來完成的。

• 對異步I/O而言，使用者可以​

  ​直接對I/O執行讀寫操作​

  ​，這些操作告訴核心使用者讀寫緩沖區的位置，以及I/O操作完成之後核心通知應用程式的方式。(POSIX規範)

• 在Linux中，每次調用aio_read函數告訴核心描數字緩沖區指針和緩沖區的大小、檔案偏移及通知的方式，然後立即傳回，當核心将資料拷貝到緩沖區後，再通知應用程式。

• 異步I/O的讀寫操作總是立即傳回，無論I/O是否阻塞，因為​

  ​真正的讀寫操作已由核心接管​

  ​。

• 對比:
• 同步I/O模型要求​

  ​使用者代碼自行執行I/O操作​

  ​(将資料從使用者緩沖區拷貝到核心緩沖區，從核心緩沖區拷貝到使用者緩沖區)。
• 異步I/O則是由​

  ​核心來執行I/O操作​

  ​(即資料在使用者緩沖區域核心緩沖區的移動是由核心在"背景"完成的)。
• 可以這樣了解:

• 同步I/O向應用程式通知的是I/O​

  ​就緒事件​

  ​。
• 異步I/O向應用程式通知的是I/O​

  ​完成事件​

  ​。