理解Linux里面的IO模型

Posted 2021-04-25 我是攻城师

前言

在谈到IO模型之前，我们先来了解下Liunx里面的几个概念：

User space（用户空间）和 Kernel space（内核空间）。Linux里面这么设计的目的主要是为了安全，即使用户空间崩溃了，内核也不受影响。所以在Linux世界，进程不能直接访问硬件设备，当进程需要访问硬件设备(比如读取磁盘文件，接收网络数据等等)时，必须由用户态模式切换至内核态模式，通过系统调用访问硬件设备。

此外还要理解阻塞，非阻塞，同步，异步这几个概念，这里不再详细介绍，我之前的文章中非常详细的介绍过。

说下目前Liunx的5种IO模型：

blocking IO - 阻塞IO

nonblocking IO - 非阻塞IO

IO multiplexing - IO多路复用

signal-driven IO - 信号驱动式IO（异步阻塞）

asynchronous IO - 异步IO

 
   
   
 

  
    
    
  
第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。.
  
    
    
  

  
    
    
  
第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
 
   
   
 

对于socket流而言:

 
   
   
 

  
    
    
  
第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区.
  
    
    
  

  
    
    
  
第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
 
   
   
 

同步阻塞IO

同步阻塞 IO 模型是最常用的一个模型，也是最简单的模型。在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。它符合人们最常见的思考逻辑。

在这个IO模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform），这会导致应用程序阻塞，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络IO。直到kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

可以看出来，这两个阶段都block住了。

同步非阻塞IO

在这种模式下，用户进程发出请求后，并不会阻塞，内核会里面返回一个error状态，然后用户进程需要轮询不断的check状态，在轮询期间可以干点别的事，最终直到内核把数据准备好了，然后通知用户进程，把数据从内核空间拷贝到用户所在的进程进行处理。

IO多路复用 multiplexing

IO多路复用，指的是由转门的一个进程负责轮询检查IO操作的状态，而不用每个用户进程都得自己负责轮询，这样就大大节省了线程资源。那么这就是所谓的 “IO 多路复用”。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）

。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回

信号驱动IO

信号驱动式I/O：首先我们允许Socket进行信号驱动IO,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据

异步非阻塞IO

相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。

Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。异步过程如下图所示：

总结

各个IO模型的比较图如下：

通过上面的图片，可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。