IO模型对比：同步异步阻塞非阻塞

Posted 2022-10-14 hithink

最近工作接触到了网络服务同步和异步，所以学习了下《UNIX网络编程》，在此作下总结。

一、I/O模型

输入/输出（I/O）是在主存和外部设备（如磁盘驱动器、终端和网络）之间拷贝数据的过程。输入是从I/O设备拷贝数据到主存，而输出是从主存拷贝数据到I/O设备。比如，网络可视为一个I/O设备，作为数据源和数据接收方。系统可以经过网络读取其他机器发送来的数据，并将数据复制到自己主存中。 

下面分别介绍Unix的5种I/O模型：

• 阻塞式IO
• 非阻塞IO
• IO复用
• 信号驱动IO
• 异步IO

一个输入操作通常为以下两个阶段：

（1）等待数据准备好；

（2）从内核复制数据到进程；

拿网络中客户端请求服务的例子说明五种模型。

在网络请求中，套接字（socket）是实现通信的一个端点，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。

对于一个soket上的输入操作：

（1）等待数据从网络中到达。数据到达时被复制到内核中的缓冲区；

（2）把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

1. 阻塞式IO模型

阻塞式IO模型是最常用的，我们将recvfrom作为系统调用，来观察应用进程和内核之间的区别。下图中进程调用recvfrom，该系统调用直到数据报准备好且拷贝到应用缓冲区或者出错才返回，也就是说在数据返回之前，进程被阻塞，当进程返回成功指示后，才可以开始下面的处理。

 

2. 非阻塞式IO模型

下图中，前三次调用recvfrom，数据还没准备好，内核会立即返回一个EWOULDBLOCK错误，直到第四次调用时，数据准备好被拷贝到应用缓冲区，该系统调用返回成功指示，接下来开始处理数据。当应用进程像这样对一个非阻塞描述字循环调用recvfrom时，这实际上就是轮询（polling）。

应用程序不断地查询内核，检查数据是否准备好，这对CPU来说是一种浪费，所以这种模型比较少见。

 

 

 

3. IO复用模型

IO复用是指通过调用select，poll或者epoll函数，监听多个socket连接，每新来一个socket连接，就会被加入到监听列表，实现单个线程同时处理多个网络连接的IO。基本原理是通过select，poll或epoll不断轮询负责的全部socket，当其中一个数据准备好，就通知进程。然后调用recvfrom拷贝数据从内核到进程，返回成功指示后，进行下一步处理。

应用进程虽然不会被socket的IO阻塞，但一直被select，poll或epoll阻塞。如果socket数不是很多的话，使用IO复用模型可能比多线程 + 阻塞IO延迟更大，因为IO复用模型相对比之前的模型需要两次系统调用，它的优势在于能处理较多的连接。

 

 

 

4. 信号驱动IO模型

该模型通过系统调用sigaction安装一个信号处理程序。当内核准备好数据后，发送信号告知进程。在信号处理程序中调用recvfrom读取数据，并通知主循环。这种模型的好处是当等待数据报到达时，IO不被阻塞。主循环可以继续执行，只是等待信号处理程序的通知：数据已准备好被读。

 

 

5. 异步IO模型

异步IO模型让内核完成整个操作（包括将数据从内核拷贝到进程缓冲区）后才进行通知应用进程。这个模型和信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动IO是由内核通知我们何时可以启动一个IO操作，而异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成。

下图中调用aio_read，传递内核描述字、缓冲区指针、缓冲区大小、文件偏移，并告诉内核整个操作完成时如何通知我们。该系统调用立即返回，不阻塞于IO操作。该图中，内核在操作完成后传递一个信号，该信号直到数据被拷贝到缓冲区才产生，这是和信号驱动IO的不同之处。

 

 

二、IO模型区别

1. 对比

从这两个阶段来看，前四种模型在第一阶段有所不同，但第二个阶段基本相同，把数据从内核拷贝到应用进程的缓冲区时，进程被阻塞于recvfrom调用。异步IO模型的两个阶段都不同于前四种模型。

 

 

2. 同步vs异步

同步IO操作会阻塞请求进程，直到IO操作完成。

异步IO操作不会阻塞请求进程。

前四种模型：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型和信号驱动IO都是同步IO模型，因为真正的IO操作（recvfrom）阻塞进程。