UNIX五种I/O模型

Posted 2021-02-18 数小钱钱的种花兔

UNIX的五种I/O模型：阻塞式I/O模型，非阻塞式I/O模型，I/O复用模型，信号驱动式I/O模型，异步I/O模型。这些概念看似容易混淆，从UNIX底层的I/O操作的角度来分析，其实不难理解。

一个输入操作通常包括以下两个阶段：

1. 等待数据准备好；包括等待数据从网络中到达，数据到达后存入内核的缓冲区中。
2. 从内核向进程复制数据。把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区。

下面要讲的五种I/O模型实际上就是在这两个阶段中的阻塞策略不同。接下来以UDP的recvfrom为例，进行说明。

阻塞式I/O模型

blocking IO，最直观的I/O模型。应用进程调用recvfrom方法时，会进行阻塞，直到两个阶段都结束，数据复制到进程缓冲区时，方法才返回。成功返回后，应用程序再进行后续工作。流程如下图所示：

非阻塞式I/O模型

此种模型下，recvfrom方法可立即返回。若内核数据没有准备好，则返回一个错误；若数据准备好，进行第二阶段复制操作，再返回成功指示。流程如下图所示：

该种模型较为少见，因为往往需要应用程序持续轮询内核，看看操作有没有准备就绪。这样会耗费大量CPU时间。

I/O复用模型

I/O复用是生产中最常见的网络模型。调用select或者poll方法去查看内核中数据是否准备好，准备完毕即返回，否则保持阻塞。但是请注意，select调用和recvfrom调用往往不在一个线程中，所以此处的阻塞不会影响真正的IO操作。当套接字可读，select返回，回调执行recvfrom，完成输入操作。如下图所示：

如果只是线性地看两个阶段是否有阻塞，IO复用似乎没什么优势。但实际上，使用select的优势在于“多路复用”，即一个selector等待多个文件描述符。

信号驱动式I/O模型

信号驱动式I/O模型，先通过sigaction调用安装一个信号处理函数，并立即返回。当套接字可读时，内核发送SIGIO信号通知应用程序，执行recvfrom方法执行IO输入。如下图所示：

这种模型，在接收到SIGIO信号之前，进程不会被阻塞。

异步I/O模型

前面四种IO模型，实际上在第二阶段（从内核缓冲区读取数据到用户缓冲区）都是阻塞的。而异步I/O模型在两个阶段都是非阻塞的。即先告知内核启动IO操作，立即返回，在两个阶段（准备数据和读取数据）全部完成时，内核发送信号通知用户进程。如下图所示：

各种I/O模型的比较

首先明确两个概念：同步I/O和异步I/O，POSIX对其定义如下：

• 同步I/O(synchronous I/O operation)：导致请求进程阻塞，直到IO操作完成；
• 异步I/O(asynchronous I/O operation)：不导致请求进程阻塞。

五种模型的对比如下

五种I/O模型中，除了异步I/O，其余四种或多或少都有阻塞的过程。因此，按照POSIX的标准，阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型，都称之为同步I/O。