Linux系统中的I/O

Posted 2021-08-27 清水寺扫地僧

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux系统中的I/O相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

1. I/O是什么

I/O：在计算机中指Input/Output,就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留，由CPU来执行，涉及到数据交换的地方，通常是磁盘、网卡等，就需要I/O接口。

2. 阻塞(Block)和非阻塞(Non-Block)I/O：均是同步I/O

2.1 阻塞I/O：一次请求I/O直至完成

当用户线程发起I/O请求后，会进行系统调用（system call）来让内核（Kernel）进行I/O操作（系统调用是用户空间和内核空间的一个通道）；
此时用户线程阻塞，等待内核将数据准备好；
内核将数据准备好后会将数据从内核空间拷贝到用户空间，并返回给用户线程结束阻塞。

2.2 非阻塞I/O：多次请求I/O直至完成

由用户线程发起I/O请求，进行系统调用来让内核进行I/O操作；
此时如果内核没有准备好数据则会直接返回error，并不会阻塞用户线程，用户线程可以重复发起I/O请求；
当用户线程发起请求并且内核已经将数据准备好后，会将数据从内核空间拷贝到用户空间（这个过程是需要阻塞用户线程的），返回给用户。

2.3 区别

阻塞I/O: 用户线程发起I/O操作，紧接着由内核线程来执行I/O操作，在阻塞I/O中内核线程并不会立即返回而是等待数据拷贝到内存空间时才返回，在此期间用户线程处于阻塞状态；

下图所示，使用recv的默认参数一直等数据直到拷贝到用户空间，这段时间内进程始终阻塞。这一过程就可以看成是使用了阻塞I/O模型，很显然，这种I/O模型是同步的。

非阻塞I/O：与阻塞IO不同，内核线程在执行I/O操作后立即返回，若结果为error则用户线程可以重新发起请求而不会被阻塞，一旦内核将数据准备好了且用户线程发起了I/O请求那么将数据拷贝到用户空间。

下图所示，recv不管有没有获取到数据都将返回，如果没有数据那么一段时间后再调用recv看看，如此循环。这就是非阻塞I/O模型。但是它只有是检查无数据的时候是非阻塞的，在数据到达的时候依然要等待复制数据到用户空间，因此它还是同步I/O。

3. 同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)I/O

3.1 同步I/O：阻塞(等待完成)和非阻塞(问询完成)都是同步I/O

同步I/O的关键在于在真正读取数据的时候用户线程是否被阻塞。非阻塞I/O虽然在用户发起请求时会立即返回，但是当内核准备好数据之后，仍然需要用户线程发起请求才会将数据从内核空间拷贝到用户空间，因此非阻塞I/O属于同步I/O。

同步I/O分为阻塞和不阻塞的I/O，不阻塞的话要指定X_NONBLOCK选项，返回时ERRNO为EAGAIN或EWOULDBLOCK，则需再次调用I/O/read，即若是I/O没有进行完，则会进入忙等待的状态。也即 I/O到达时，由用户将I/O内容从内核中拉出至用户空间缓冲区当中。

3.2 异步I/O：I/O发起则不需向内核确认I/O内容准备好

用户线程发起IO操作后，可以立即去做其他事情，另一方面，对于内核线程当它收到异步数据之后会立即返回，不会对用户线程造成阻塞。当内核将数据准备好之后会将数据从内核空间拷贝到用户空间，内核会发送给用户一个信号通知用户IO操作已完成。

异步I/O操作是不阻塞的，和其它的处理可以重叠进行，即计算和I/O重叠，充分利用了DMA特性，可以不经过CPU。
aio_read中指定用户空间缓冲区，用来接收内核所接收的I/O内容，同时还指定了signal hander/callbacks。同时，I/O完成后，内核直接将I/O内容推至指定的用户空间缓冲区。