IO缓冲区

Posted 2023-05-12

参考技术A

//为了解决cpu与输入输出（键盘、显示器）设备速度不匹配的问题，设计了IO缓冲区
//标准IO提供三种类型缓冲模式： 按块缓存，按行缓存和不缓存
//按块缓存也称为全缓存，即在 填满缓冲区后才进行实际的设备读写操作 ；
//按行缓存是指在 接收到换行符"\\n"之前，数据都是先缓存在缓冲区的
//不缓存，就是允许 直接读写设备上的数据

IO操作与IO模型

一 、IO操作本质

数据复制的过程中不会消耗CPU

 1 内存分为内核缓冲区和用户缓冲区
 2 用户的应用程序不能直接操作内核缓冲区，需要将数据从内核拷贝到用户才能使用
 3 而IO操作、网络请求加载到内存的数据一开始是放在内核缓冲区的

 

二、 IO模型

1. BIO – 阻塞模式I/O

用户进程从发起请求，到最终拿到数据前，一直挂起等待； 数据会由用户进程完成拷贝

举个例子：一个人去 商店买一把菜刀，
他到商店问老板有没有菜刀（发起系统调用）
如果有（表示在内核缓冲区有需要的数据）
老板直接把菜刀给买家（从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区）
这个过程买家一直在等待

如果没有，商店老板会向工厂下订单（IO操作，等待数据准备好）
工厂把菜刀运给老板（进入到内核缓冲区）
老板把菜刀给买家（从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区）
这个过程买家一直在等待
是同步io

 

2. NIO – 非阻塞模式I/O

用户进程发起请求，如果数据没有准备好，那么立刻告知用户进程未准备好；此时用户进程可选择继续发起请求、或者先去做其他事情，稍后再回来继续发请求，直到被告知数据准备完毕，可以开始接收为止； 数据会由用户进程完成拷贝

举个例子：一个人去 商店买一把菜刀，
他到商店问老板有没有菜刀（发起系统调用）
老板说没有，在向工厂进货（返回状态）
买家去别地方玩了会，又回来问，菜刀到了么（发起系统调用）
老板说还没有（返回状态）
买家又去玩了会（不断轮询）
最后一次再问，菜刀有了（数据准备好了）
老板把菜刀递给买家（从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区）

整个过程轮询+等待：轮询时没有等待，可以做其他事，从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区需要等待
是同步io

 

3. IO Multiplexing - I/O多路复用模型

类似BIO，只不过找了一个代理，来挂起等待，并能同时监听多个请求； 数据会由用户进程完成拷贝

举个例子：多个人去 一个商店买菜刀，
多个人给老板打电话，说我要买菜刀（发起系统调用）
老板把每个人都记录下来（放到select中）
老板去工厂进货（IO操作）
有货了，再挨个通知买到的人，来取刀（通知/返回可读条件）
买家来到商店等待，老板把到给买家（从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区）

多路复用：老板可以同时接受很多请求（select模型最大1024个，epoll模型），
但是老板把到给买家这个过程，还需要等待，
是同步io

 

4. AIO – 异步I/O模型

发起请求立刻得到回复，不用挂起等待； 数据会由内核进程主动完成拷贝

举个例子：还是买菜刀
现在是网上下单到商店（系统调用）
商店确认（返回）
商店去进货（io操作）
商店收到货把货发个卖家（从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区）
买家收到货（指定信号）

整个过程无等待
异步io

 

三、同步I/O与异步I/O

• 同步I/O
  • 概念：导致请求进程阻塞的I/O操作，直到I/O操作任务完成
  • 类型：BIO、NIO、IO Multiplexing
• 异步I/O
  • 概念：不导致进程阻塞的I/O操作
  • 类型：AIO

注意：

• 同步I/O与异步I/O判断依据是，是否会导致用户进程阻塞
• BIO中socket直接阻塞等待（用户进程主动等待，并在拷贝时也等待）
• NIO中将数据从内核空间拷贝到用户空间时阻塞（用户进程主动询问，并在拷贝时等待）
• IO Multiplexing中select等函数为阻塞、拷贝数据时也阻塞（用户进程主动等待，并在拷贝时也等待）
• AIO中从始至终用户进程都没有阻塞（用户进程是被动的）