最近一直在研究Linux IO模型，Linux IO模型是一個(gè)挺復(fù)雜的概念，分析Linux IO模型一定要注意方法，否則會(huì)在一個(gè)個(gè)概念中，迷失自我。

1.IO模型簡(jiǎn)介

Linux IO模型是指Linux操作系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)輸入輸出的一種機(jī)制。

Linux IO模型主要分為五種：

阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO和異步IO。

• 阻塞IO是最常見的IO模型，當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求后，內(nèi)核會(huì)一直等待，直到IO操作完成并返回結(jié)果。在此期間，用戶進(jìn)程會(huì)被阻塞，無法進(jìn)行其他操作。
• 非阻塞IO是在阻塞IO的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種IO模型。當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求后，內(nèi)核會(huì)立即返回一個(gè)錯(cuò)誤碼，表示IO操作還未完成。用戶進(jìn)程可以繼續(xù)進(jìn)行其他操作，隨后再通過輪詢的方式來查詢IO操作是否完成。
• IO復(fù)用是指通過select、poll、epoll等系統(tǒng)調(diào)用來監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的IO事件。當(dāng)某個(gè)文件描述符就緒時(shí)，內(nèi)核會(huì)通知用戶進(jìn)程進(jìn)行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，IO復(fù)用可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符，提高了IO效率。
• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO是指用戶進(jìn)程通過signal或sigaction系統(tǒng)調(diào)用來注冊(cè)一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)IO操作完成時(shí)，內(nèi)核會(huì)向用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)SIGIO信號(hào)，用戶進(jìn)程在信號(hào)處理函數(shù)中進(jìn)行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO可以避免用戶進(jìn)程被阻塞，提高了IO效率。
• 異步IO是指當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求后，內(nèi)核會(huì)立即返回，表示IO操作已經(jīng)開始。當(dāng)IO操作完成后，內(nèi)核會(huì)通知用戶進(jìn)程，用戶進(jìn)程在此時(shí)才進(jìn)行IO操作。相比于其他IO模型，異步IO可以避免用戶進(jìn)程被阻塞，提高了IO效率。

2.五種IO模型

2.1 IO模型分析方法

分析IO模型需要了解2個(gè)問題：

問題1：發(fā)送IO請(qǐng)求，IO請(qǐng)求可以理解為用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)同步，根據(jù)發(fā)起者不同分為以下兩種情況：

• 由用戶程序發(fā)起（同步IO）。
• 由內(nèi)核發(fā)起（異步IO）。

問題2：等待數(shù)據(jù)到來，等待數(shù)據(jù)到來的方式有以下幾種：

• 阻塞（阻塞IO）。
• 輪詢（非阻塞IO）。
• 信號(hào)通知（信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO）。

（內(nèi)核空間和用戶空間數(shù)據(jù)同步由誰發(fā)起是分析Linux IO模型最核心問題）

2.2 阻塞IO

阻塞IO/階段1

• 用戶程序調(diào)用recv函數(shù)發(fā)起IO請(qǐng)求（同步IO），讀取socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
• 由于socket緩沖區(qū)沒有就緒數(shù)據(jù)包，進(jìn)程狀態(tài)將從TASK_RUNNING切換至TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)，并通過進(jìn)程調(diào)度完成進(jìn)程阻塞。
• 同時(shí)進(jìn)程也會(huì)加入到socket等待隊(duì)列，等待數(shù)據(jù)到來回被喚醒。

注意：阻塞IO并不是阻塞CPU，而是進(jìn)行進(jìn)程狀態(tài)切換出讓CPU。

阻塞IO/階段2

• 網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包后，通過DMA機(jī)制將數(shù)據(jù)包拷貝到內(nèi)核空間RingBuffer，并通過中斷機(jī)制將數(shù)據(jù)包拷貝至socket接收緩沖區(qū).
• socket接收到數(shù)據(jù)包喚醒等待隊(duì)列休眠進(jìn)程，進(jìn)程被喚醒后繼續(xù)完成用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)同步，recv函數(shù)成功返回。

2.3 非阻塞IO

阻塞IO/階段1

• 用戶程序調(diào)用recv函數(shù)發(fā)起IO請(qǐng)求，讀取socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
• 由于socket緩沖區(qū)沒有就緒數(shù)據(jù)包，非阻塞IO recv直接返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤碼，用戶如果一直調(diào)用recv函數(shù)則一直返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤碼，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

非阻塞IO/階段2

非阻塞IO和阻塞IO階段2相同。

2.4 IO復(fù)用

IO復(fù)用簡(jiǎn)介

IO復(fù)用是一種高效的IO處理方式，它可以讓一個(gè)進(jìn)程同時(shí)監(jiān)視多個(gè)文件描述符，當(dāng)其中任意一個(gè)文件描述符就緒時(shí)，就可以進(jìn)行相應(yīng)的IO操作。

相比于傳統(tǒng)的阻塞IO和非阻塞IO，IO復(fù)用可以大大提高IO效率，減少CPU資源的浪費(fèi)。

在Linux中，常用的IO復(fù)用模型有select、poll、epoll等。

IO復(fù)用模型IO請(qǐng)求由用戶程序發(fā)起，所以IO復(fù)用模型為同步IO。

2.4.1 IO復(fù)用select模型

select模型通過位圖實(shí)現(xiàn)IO復(fù)用，將socket注冊(cè)到讀，寫，或異常位圖，通過select系統(tǒng)調(diào)用輪詢位圖，獲取socket事件，成功獲取到socket事件后，select成功返回，此時(shí)可以通過接收函數(shù)讀取socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

2.4.2 IO復(fù)用poll模型

poll模型和select非常相似，主要區(qū)別為poll模型把位圖改成鏈表，poll通過鏈表實(shí)現(xiàn)IO復(fù)用，將socket注冊(cè)poll_list鏈表，通過poll系統(tǒng)調(diào)用輪詢鏈表，獲取socket事件，成功獲取到socket事件后，poll成功返回，此時(shí)可以通過接收函數(shù)讀取socket緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

2.4.3 IO復(fù)用epoll模型

epoll模式采用回調(diào)方式獲取就緒socket事件，相比于select和poll模型的輪詢方式效率更高，通過epoll_ctl系統(tǒng)調(diào)用注冊(cè)socket事件至紅黑樹，當(dāng)socket接收到數(shù)據(jù)后通過回調(diào)函數(shù)將socket事件添加至就緒隊(duì)列，調(diào)用epoll_wait查詢就緒隊(duì)列就能獲取到socket事件。

2.5 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO是基于SIGIO信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO主要由三個(gè)步驟組成：

• 步驟1：用戶程序注冊(cè)SIGIO處理函數(shù)。
• 步驟2：內(nèi)核收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送SIGO信號(hào)，執(zhí)行SIGO信號(hào)處理函數(shù)。
• 步驟3：用戶程序調(diào)用recv函數(shù)發(fā)起IO請(qǐng)求，完成用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)同步。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO是由用戶程序發(fā)起IO請(qǐng)求，所以信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO屬于同步IO。

2.6 異步IO

異步IO實(shí)現(xiàn)的方式有很多種，上圖以POISX aio為例講解異步IO。

分析異步IO我們得抓住本質(zhì)，異步IO的IO請(qǐng)求由內(nèi)核發(fā)起，只要滿足這一個(gè)點(diǎn)就是異步IO，不管是阻塞或者輪詢，或者信號(hào)通知，都不影響異步IO這個(gè)性質(zhì)。

3.IO模型常見問題？

問題1：阻塞IO和非阻塞IO區(qū)別？

a.阻塞IO

阻塞IO在沒有數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)通過阻塞進(jìn)程等待數(shù)據(jù)到來，阻塞進(jìn)程方法為：

• 設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)為TASK_INTERRUPTIBLE。
• 通過進(jìn)程調(diào)度切換進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程阻塞。

進(jìn)程阻塞期間不會(huì)占用CPU資源。

b.非阻塞IO

非阻塞IO在沒有數(shù)據(jù)包時(shí)，通過輪詢方式等待數(shù)據(jù)包到來，沒有數(shù)據(jù)包到來，調(diào)用接收函數(shù)會(huì)立即返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤碼，一直調(diào)用接收函數(shù)，一直返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤碼。

非阻塞方式采用輪詢方式會(huì)一直占用CPU資源。

問題2：同步IO和異步IO區(qū)別？

區(qū)別同步IO和異步IO方法很簡(jiǎn)單，就是用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)同步由誰發(fā)起。

• 由用戶程序發(fā)起則是同步IO。
• 由內(nèi)核發(fā)起則是異步IO。

問題3：信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO和異步IO區(qū)別？

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO和異步IO雖然實(shí)現(xiàn)流程有很多相似的地方，比如：注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)，發(fā)送通知信號(hào)，不會(huì)阻塞進(jìn)程等。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO和異步IO有以下幾點(diǎn)區(qū)別：

• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO屬于同步IO。
• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO發(fā)送信號(hào)通知用戶程序發(fā)起IO請(qǐng)求。
• 異步IO發(fā)送信號(hào)通知用戶程序IO請(qǐng)求已由內(nèi)核發(fā)起并完成。

問題4：非阻塞IO是不是異步IO？

很多同學(xué)經(jīng)常把非阻塞IO和異步IO關(guān)聯(lián)在一起，其實(shí)這個(gè)是很錯(cuò)誤的一個(gè)想法，同步IO和異步IO都可能會(huì)阻塞進(jìn)程，同步IO和異步IO本質(zhì)區(qū)別為用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)同步由誰發(fā)起。

非阻塞IO的IO請(qǐng)求由用戶程序發(fā)起，屬于同步IO。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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