第3章 文件I/O_五种I/O模型

Posted 2020-08-28 浅墨浓香

6. I/O处理方式（5种I/O模型）

6.1 几个概念的辨析

（1）同步和异步

　　①是访问数据的方式，主要是针对IO（资源、数据）而言的。关键在于I/O操作完成后，有没有提供通知机制。

　　②同步的IO，要求进（线）程主动去读写数据，在读写过程还是会阻塞。而异步I/O操作时，进程不主动读写数据，而是内核完成数据读写完成以后将通知进（线）程。

（2）阻塞和非阻塞

　　①是针对进（线）程而言的，进程要访问的数据是否就绪，是否需要等待。

　　②阻塞与非阻塞是针对同步应用而言的。IO操作分为两个阶段：等待数据和数据从内核到用户态的拷贝。对于阻塞，这两个阶段进（线）程都会被阻塞，而非阻塞的IO操作，在第1阶段可能采用轮询方式而不阻塞，但第2阶段的数据拷贝仍然是阻塞的。

（3）生活中的例子：老张烧开水

　　①老张把水壶（普通水壶）放到火上，并等待水开（同步阻塞）

　　②老张把水壶（普通水壶）放在火上，去客厅看电视，时不时到厨房看看水开没有。（同步非阻塞）

　　③老张把响水壶放到火上，等待水开（异步阻塞，换了一个具有通知功能的响水壶，但老张还是比较傻，只干一件事，就是等待，所以这种模式一般意义不大。）

　　④老张把响水壶放在火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它，响了再去提壶（异步非阻塞）

【小结】

　　①所谓同步、异步，是对于水壶而言的。普通水壶，同步；响水壶，异步。同步只能让调用者去轮询，看看水壶开了没有。而异步的响水壶在水开后会提醒老张去提壶。

　　②所谓的阻塞、非阻塞，仅仅对于老张而言。等待的老张，阻塞，这时可能媳妇喊他都不知道。看电视的老张，而非阻塞的。

6.2 五种I/O模型

（1）阻塞I/O模型：若所调用的I/O函数没有完成相关的功能就会使进程挂起，直到相关数据到达才会返回。如：终端、网络设备的访问。整个过程分为两个阶段:

　　①阶段一是等待数据就绪，网络I/O的情况就是等待远端数据陆续抵达；磁盘I/O的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中。

　　②阶段二是数据拷贝，出于系统安全，用户态的程序没有权限直接读取内核态内存,因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中。理解这两个阶段非常重要，后续I/O模型的演变都是针对这两个阶段进行不同改造。

 

（2）非阻塞模型：当请求的I/O操作不能完成时，则不让进程休眠，而且返回一个错误。如open、read和write访问。

 

　　①阶段一频繁轮询的话,也很耗费CPU时间这种方式对单个I/O请求意义不大,但给I/O多路复用铺平了道路。 低速系统调用时，进程可能会阻塞。

　　②非阻塞I/O操作（open、read、write）不阻塞，如果操作不能完成，则出错返回

　　③设定非阻塞的方式：使用open打开文件，设置O_NONBLOCK标志。如果一个文件己经打开，则使用fcntl修改文件状态标志。

（3）I/O多路转接模型：如果请求的I/O操作阻塞，且他不是真正阻塞I/O，而且让其中的一个函数等待，在这期间，I/O还能进行其他操作。如：select函数。

　　①调用 select/poll该方法由一个用户态线程负责轮询多个sockets，直到某个阶段一的数据就绪,再通知实际的用户线程执行阶段二的拷贝。

　　②通过一个专职的用户态线程执行非阻塞I/O轮询，模拟实现了阶段一的异步化。

  

（4）信号驱动I/O模型：在这种模型下，通过安装一个信号处理程序，系统可以自动捕获特定信号的到来，从而启动I/O。（类似于观察者模式）。阶段一演变为异步，由内核托管,应用程序只需告知内核，当阶段一数据就绪时向应用程序发出 SIGIO信号。至此为止，前述4种模型的阶段二仍是处于block状态的。

 

（5）异步I/O模型：在这种模型下，当一个描述符己准备好，可以启动I/O时，进程会通知内核。由内核进行后续处理。当整个过程(包括阶段一和阶段二)全部完成时,通知应用程序来读数据。这种用法现在较少。

 

6.3 五种模型的比较

 

【编程实验】非阻塞I/O的read调用。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "io.h"

int main(void)
{
    char buffer[4096] = {0};
    ssize_t size = 0;

    //默认，IO是阻塞的，后面的read会阻塞等待键盘输入。
    //以下演示非阻塞IO的读取。
    set_fl(STDIN_FILENO, O_NONBLOCK);

    sleep(5);
    
    size = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));

    if(size < 0 ){
        perror("read error");
        exit(1);
    }else if (size == 0){
        printf("read finished\\n");//进程执行过程中，在没有键盘输入并按ctrl+D
                                  //会执行到这里。
    }else{
        if(write(STDOUT_FILENO, buffer, size) != size){
            perror("write error");
            exit(1);
        }
    }
    

    return 0;
}