五种I/O模型

Posted 2020-11-23 wztshine

文档地址：https://www.cse.huji.ac.il/course/2004/com1/Exercises/Ex4/I.O.models.pdf

 

五种I/O模型：

1.  blocking I/O                 阻塞I/O

2. nonblocking I/O           非阻塞I/O

3. I/O multiplexing (select and poll)       I/O多路复用

4. signal driven I/O (SIGIO)                  信号驱动I/O

5. asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)    异步I/O

 

对于input操作，有两个不同的阶段：

1. 等待数据准备完毕（用户空间 通过 内核空间 调用系统资源，数据准备完毕是在内核里的）

2. 从kernel拷贝数据到相应的进程  （即从 内核空间 复制到 用户空间 的某个进程，内核空间是系统内核运行的地方，用户空间是用户程序运行的地方，两者是独立分割的，用户空间没有什么权限，只能通过内核空间调用系统资源）

 

对于socket的input，两个阶段通常是：

1. 等待网络的数据到达，并将数据拷贝到内核空间的buffer里。

2. 从kernel的buffer里拷贝数据到应用程序的buffer

 

1. 阻塞I/O

 

 

 上图使用的是UDP协议，在这个过程中，进程调用recvfrom，在这个过程中，程序一直是阻塞的，直到网络数据报到达本地，并且数据从内核空间拷贝到了用户空间，此时才会return，当recvfrom成功return后，应用程序才获取到这个数据报。

从图看出，此模型全程阻塞。

2. 非阻塞I/O

 

 首先，进程每隔一阵子调用一次 recvfrom，图中前三次调用recvfrom，但是数据报没有准备好，所以每一次内核都返回EWOULDBLOCK错误，第四次调用recvfrom，数据报此时已经准备完毕，拷贝到用户空间中后，recvfrom成功返回，此时进程就获取到了值。

当系统用这种不停的循环的方法对一个非阻塞的描述符调用recvfrom，这种被称为polling

此模型并不阻塞，但是需要循环查询，浪费CPU的时间，低效。

3. 多路复用I/O

 

 给一个select阻塞住，直到数据报readable（也就是准备好了，readable是select返回的值），当select返回readable时，说明数据报准备好了，此时就recvfrom，让数据报从内核空间拷贝到用户空间，拷贝完成后，recvfrom返回成功，数据报也就成功的被用户程序所拥有了。

其实select并没有什么优势，反而略微有点劣势，因为它使用了两次系统调用，而不是一次。但是它的优势是它能够等待多个描述符准备好。

此模型也会阻塞，但是它可以等待多个描述符准备，因此还是有优势的。

4. 信号驱动的I/O

 

 除了上面的方法，我们也可以使用信号，告诉内核当数据报准备好时，你就用信号通知我。

首先启动信号驱动I/O的socket，然后安装一个使用sigaction系统调用的signal handler，这个系统调用是立即返回的，并且返回后还继续执行，它是非阻塞的，当数据报准备好时，就会生成SIGIO信号，我们可以调用recvfrom从signal handler读取数据，并且告诉主循环数据已经准备好被获取了；或者我们可以通知主循环，让它自己读取数据。

此模型第一个阶段是非阻塞的，主循环可以做别的事情，但是从内核拷贝数据到用户的过程，是阻塞的。

5. 异步I/O

 

 异步I/O是完全不阻塞的模型，它调用aio_read，会立刻返回，在等待I/O的过程中，进程是完全不阻塞的，我们猜测它可能在I/O完成时（这里的完成 包括从内核拷贝数据到用户）生成一个signal，这是它和信号I/O不同的地方（信号I/O不会拷贝数据到用户）

 

五种模型的比较：

 

 

简单来讲，如果把等待数据准备过程比作钓鱼时等待鱼上钩，把从内核拷贝数据到用户空间比作拉线收鱼，那么：

1. 阻塞I/O：守着一个鱼竿一直等待鱼上钩，期间不干别的事情，就等着，鱼上钩了就拉线取走鱼。

2. 非阻塞I/O： 弄个鱼竿搁在那儿，可以干别的事情去，每隔一段时间回来看一次有没有鱼上钩，直到有鱼上钩了，就拉线取走鱼。

3. I/O 多路复用： 一次性弄好多鱼竿钓鱼（select就是可以同时等待多个描述符），这些鱼竿如果有任何一个有鱼上钩，就拉线取走鱼，没有的话就干等着鱼上钩，不干别的事情。

4. 信号I/O： 给一个鱼竿弄个铃铛，然后自己干别的事情去，一旦铃铛响了，说明鱼上钩了，就过来取走鱼。

5. 异步I/O：放个鱼竿钓鱼，然后自己干别的事情去，一旦鱼上钩了，鱼竿比较高级，自动把鱼拉上来放到桶里。