IO模型

Posted 2020-11-15 xujie09

IO模型

用户空间和内核空间

概念理解

Linux虚拟内存被操作系统分成了两部分，一个是用户空间，一个是用户空间

• 用户空间（User space）:用户程序的运行空间，用户程序代码运行的空间
• 内核空间(Kernel space)：Linux内核运行空间，内核代码运行的空间

当进程运行在内核空间时就处于内核态，当进程处于用户空间时就处于用户态

• 在Linux 中，执行命令：

  ps   - 查看系统资源

  在%CPU（s）一行，可以看到两个参数：

  xxx us  -用户空间
  xxx sy  -内核空间

PIO和DMA

慢速IO设备和内存之间的数据传输方式

PIO

我们读取磁盘文件到内存中，如果数据要经过cpu转发，这种方式成为PIO

DMA

不经过cpu，直接进行磁盘和内存的数据交换，cpu将指令下达给dma控制器，有dma控制器处理数据的传输，此种方式大大减小了cpu的占有率，节省了系统资源

缓存IO和直接IO

缓存IO:

数据->DMA->内核空间->CPU->用户空间

应用：nginx edis omcat应用等（应用比较广泛）

直接IO

数据->DMA->用户空间

应用:mysql

磁盘IO和网络IO访问方式

网路七层结构:

• 7-应用层：http协议
• 4-传输层:TCP/UDP
• 3-网络层：IP/路由器
• 2-数据链路层：交换机
• 1-物理层：基础通信设施

磁盘IO和网络IO都会发生延时，但是网络IO延时大于磁盘IO

传统socket网络编程处理高并发

传统socket问题：高并发情况下下存在阻塞问题，大大降低了系统性能。

同步异步和堵塞非堵塞

同步和异步都会存在堵塞和非堵塞；

同步堵塞：发出请求之后，一直傻等

同步非堵塞：发出请求之后，如果数据没有及时返回，会继续连续请求，进行轮询，直到返回数据

反应器Reactor

? 反应器设计模式时一种为处理并发服务请求，并将请求提交到一个或者多个服务处理程序的事件设计模式，当客户端请求抵达后，服务处理程序使用多路分配策略，由一个非阻塞的线程来接收所有的请求，然后派发这些请求至i相关的工作线程进行处理。

主要包含内容：

• 初始事件分发器：
  • 用于管理事件处理器，定义注册、移除事件处理器等。它还作为Reactor模式的入口调用事件分离器的select方法以阻塞等待事件返回，当阻塞等待返回时，根据事件发生的处理处理程序将器分发给对应的事件处理器处理，即回调事件处理器中的handle_event()方法。
• 同步（多路）事件分离器：
  • 无线循环等待新事件的到来，一旦发现有新的事件到来，就会通知初始事件分发器去调取特定的事件处理器。
• 系统处理程序：
  • 操作系统中的句柄，是对资源在操作系统层面上的一种抽象，它可以时打开的文件、一个链接（Socket）、Timer等，由于Reactor模式一般使用在网络编程中，因而这里一般指Socket Handler，即一个网络连接（Connection、在Java NIO中的Channel）。这个Channel注册到事件分离器中，以监听Handle中发生的事件，对ServerSocketChannel可以是connect事件，对SocketChannel可以时read、write、close事件等。
• 事件处理器：
  • 定义事件处理方法，以供事件分发器回调使用。

Proactor 模式结构

运用于异步IO操作，Proactor模式中，应用程序不需要进行实际的读写过程，它只需要从缓存区读取或者写入即可，操作系统会读取缓存区或者写入缓存区到真正的IO设备。

五种IO模型

同步阻塞IO

传统的IO模型

同步非阻塞IO

默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为noblock，注意这里所说的NIO并非java的NIO库

IO多路复用

即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO,Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。

有三种模式机制

以下几种方式都时IO多路复用的机制,IO多路复用就是通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪，能够通知程序进行相应的操作。

redis的IO模型主要是基于epoll实现的，不过它也提供了select和kqueue的实现，默认采用epoll。

• select
  • 
  • select被循环调用获取激活的socket，一旦socket可读，便调用read函数将socket中的数据读取出来，此种方式时在单线程情况下处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还时阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长，如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求，等到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率。
  • IO多路复用模型使用了Reactor设计模式实现了这一机制。
• poll
• epoll

异步IO

即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO

信号驱动IO

不常用