I/O模型

Posted 2020-09-29 皖心

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO可以理解为对流的操作。刚才说了，对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1. 第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。

2. 第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

对于socket流而言

• 第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。
• 第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

网络应用需要处理的无非就是两大类问题，网络IO，数据计算。相对于后者，网络IO的延迟，给应用带来的性能瓶颈大于后者。网络IO的模型大致有如下几种：

• 同步模型（synchronous IO）

• 阻塞IO（bloking IO）

• 非阻塞IO（non-blocking IO）

• 多路复用IO（multiplexing IO）

• 信号驱动式IO（signal-driven IO）

• 异步IO（asynchronous IO）

同步阻塞IO：

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。它符合人们最常见的思考逻辑。阻塞就是进程 "被" 休息, CPU处理其它进程去了。

在这个IO模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform），这会导致应用程序阻塞，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络IO。调用应用程序处于一种不再消费 CPU 而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。在调用recv()/recvfrom()函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程，大致如下图：

 

流程分析：

当用户进程调用了recv()/recvfrom()这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。第二个阶段：当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

优点：

• 能够及时返回数据，无延迟；
• 对内核开发者来说这是省事了；

缺点：对用户来说处于等待就要付出性能的代价了；

 

同步非阻塞IO（nonblocking IO）:

同步非阻塞就是 “每隔一会儿瞄一眼进度条” 的轮询（polling）方式。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 IO 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。

 在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，”非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 ‘被’ CPU光顾”。

也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

流程：

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。

缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

IO 多路复用（IO multiplexing）

由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。那么这就是所谓的 “IO 多路复用”。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）。

IO多路复用有两个特别的系统调用select、poll、epoll函数。select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于—前者可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。select或poll调用之后，会阻塞进程，与blocking IO阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。也可以理解为"非阻塞"吧。

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时（注意不是全部数据可读或可写），才真正调用I/O操作函数。

IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。对于监视的方式，又可以分为 select， poll， epoll三种方式。

上面的图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

 所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。（select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）

select 实现多路复用:

######服务端#######

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# Created by Mona on 2017/7/21

import socket,select
sock = socket.socket()
sock.bind((\'0.0.0.0\',9090))
sock.listen(5)
sock.setblocking(False)  # 设置为非阻塞模式

inp = [sock,]   #监视的列表

while True:
    r= select.select(inp,[],[])  # select示例化时第一个元素放监听的对象
    for obj in r[0]:
        if obj == sock:  #如果是sock套接字，则accept,并将新的套接字对象加入监听的列表
            conn,addr = sock.accept()
            inp.append(conn)
        else:            #如果是conn套接字，则recv
            data = obj.recv(1024)
            print(data.decode())
            response = input(\'>>>:\').strip()
            obj.send(response.encode())

#############客户端################
import socket
client = socket.socket()
client.connect((\'localhost\',9090))

while 1:
    data = input(\'>>>>>:\').strip()
    if data == \'q\':
        client.close()
    client.send(data.encode())
    response = client.recv(1024)
    print(response.decode())

selectors实现multiplexing

#######服务器#######
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# Created by Mona on 2017/7/21

import selectors,socket
sock = socket.socket()
sock.bind((\'0.0.0.0\',9090))
sock.listen(5)

sel = selectors.DefaultSelector()   #示例化对象

def accept(sock,mask):    #定义sock套接字对象的方法
    conn,addr = sock.accept()  #接受conn套接字
    conn.setblocking(False)    #设置为非阻塞模式
    sel.register(conn,selectors.EVENT_READ,recv)   #将sock注册为sel对象

def recv(conn,mask):    #定义sock套接字对象的方法
    data = conn.recv(1024)
    print(data.decode())
    response = input(\'>>>:\').strip()
    conn.send(response.encode())

sel.register(sock,selectors.EVENT_READ,accept)   #将sock注册为sel对象

while True:   #调用sel对象
    events = sel.select()
    for key,mask in events:   
        #SelectorKey(fileobj=<socket.socket fd=3, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=(\'0.0.0.0\', 9090)>,
        #  fd=3, events=1, data=<function accept at 0x100762e18>)
    
        callback = key.data   #套接字对象的方法函数
        callback(key.fileobj,mask)  #执行该函数

########客户端########

import socket
client = socket.socket()
client.connect((\'localhost\',9090))

while 1:
    data = input(\'>>>>>:\').strip()
    if data == \'q\':
        client.close()
    client.send(data.encode())
    response = client.recv(1024)
    print(response.decode())

 

 

 

异步非阻塞IO：

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

 

 

相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。

用户进程发起aio_read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 IO 处理过程，告诉它read操作完成了。