IO模型介绍 以及同步异步阻塞非阻塞的区别

Posted 2020-09-10 MakiseKurisu

 

阻塞：用户进程访问数据时，如果未完成IO，等待IO操作完成或者进行系统调用来判断IO是否完成
非阻塞：用户进程访问数据时，会马上返回一个状态值，无论是否完成

同步：用户进程发起IO(就绪判断)后，轮询内核状态
异步：用户进程发起IO后，可以做其他事情，等待内核通知

 

介绍一下IO模型

 

网络IO模型和文件IO模型是一样的，上图是IO的5种模型，包括阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动的IO、异步IO。

一次IO包括两个过程，内核数据准备 、把数据从内核空间copy到用户空间。

1、阻塞IO（recvfrom系统调用）是在两个过程应用都处于阻塞状态。

2、非阻塞IO（recvfrom系统调用）是应用发出IO操作后可以立刻返回，通过轮询盘判断数据是否准备好，在copy数据阶段阻塞应用。

3、多路复用IO（select 、recvfrom系统调用）是阻塞调用select，查找可用的套接字，如果有套接字可用，那么就阻塞调用(recvfrom)完成数据的copy过程。Linux select就是这种模型，缺点是一次select会扫描所有的socket。

4、信号驱动的IO(SIGIO、recvfrom)是应用发出SIG IO后立刻返回，内核中数据准备好后，通知应用，由应用进行阻塞recvfrom调用从内核copy数据。linux epoll就是基于事件的就绪通知方式，省去了所有socket的扫描开销。

      epoll,kqueue比select高级,select是在内核里做轮询操作, epoll是使用回调机制, 消耗的资源更少. 套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。epoll给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询。

5、异步IO(aio-read)是应用发出aio-read后马上返回，数据准备好后，由操作系统把数据copy到应用，并通知应用数据copy完成。

     当然除了以上的IO模式，还有直接IO（应用绕过内核直接访问磁盘文件），内存映射MMap（建立内存和文件的映射关系），这两种模式在linux 2.6上本质上没有差异。

直接IO在数据库引擎中用的比较多，数据库的buffer绕过文件系统cache，直接访问硬盘。MongoDB中就是用到mmap，无需调用read、write系统调用。

 

同步、异步、阻塞、非阻塞一般有这么几种组合：

同步非阻塞，典型代表是Java NIO

异步阻塞，典型代表是select,epoll

异步非阻塞，典型代表是aio

 

并发设计中的模式，有以下两种：

Reactor（NIO）和Preactor（AIO），都是处理派发/分离操作IO事件的。
派发/分离事件就是将单独的IO事件通知到上层模块。不同之处是,Preactor用于异步，Reactor用于同步。
可以看出，两个模式的相同点，都是对某个IO事件的事件通知(即告诉某个模块，这个IO操作可以进行或已经完成)。
在结构上，两者也有相同点：dispatch负责提交IO操作(异步)、查询设备是否可操作(同步)，然后当条件满足时，就回调handler。
不同点在于，异步情况下(Preactor)，当回调handler时，表示IO操作已经完成；同步情况下(Reactor)，回调handler时，表示
IO设备可以进行某个操作(can read or can write)，handler这个时候开始提交操作。

Reactor和Proactor模式的主要区别就是真正的读取和写入操作是有谁来完成的，Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据，而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。