【Socket编程】篇五之IO同步、异步、阻塞、非阻塞
来源:互联网 发布:淘宝咸鱼网手机版 编辑:程序博客网 时间:2024/06/06 03:49
参考自:http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378( 智障大师 的专栏《IO - 同步,异步,阻塞,非阻塞 (亡羊补牢篇)》)
参考Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”,6.2节“I/O Models ”
我们详细探讨一下 I/O 模型:
1)同步模型(synchronous I/O)
_1、阻塞I/O(bloking I/O)
_2、非阻塞I/O(non-blocking I/O)
_3、多路复用I/O(multiplexing I/O)
_4、信号驱动式I/O(signal-driven I/O)
2)异步模型(asynchronous I/O)
对于一个network IO (以read举例),它会涉及到两个系统对象,一个是调用这个IO的process (thread),另一个就是系统内核 (kernel)。当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:
1 、等待数据准备 (Waiting for the data to be ready);
2 、将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
记住这两点很重要,因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。
1、阻塞IO
linux中,默认情况下所有的socket都是blocking IO,一个典型的读操作流程大概是这样:
当用户进程调用了 recvfrom 函数后,kernel 就开始了IO的第一个阶段:准备数据。对于network 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。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞。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,用户进程才解除阻塞的状态,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。
2、非阻塞IO
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,用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
3、IO多路复用
IO多路复用常用的方法有:select、poll以及epoll三种。IO多路复用的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。
以select为例:
当用户进程调用了select,那么整个进程会被阻塞,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。
这个图和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socket。(所以,如果处理的连接数不是很多的话,使用 select/poll/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/poll/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。)
在IO multiplexing Model中,实际中,对于每一个socket,一般都设置成为non-blocking,但是,如上图所示,整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block,而不是被socket IO给block。
4、异步IO
用户进程发起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,告诉它read操作完成了。
blocking vs non-blocking(看第一阶段)
调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。
synchronous IO vs asynchronous IO(看第二阶段)
A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
两者的区别就在于synchronous IO在做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义,之前所述的blocking IO,non-blocking IO,IO multiplexing都属于synchronous IO。定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作,也即数据从 kernel 搬运到进程的过程。
特别的,我们分析下 non-blocking IO:non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候,如果kernel的数据没有准备好,这时候不会block进程。但是,当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中,这个时候进程是被block了,在这段时间内,进程是被block的。而asynchronous IO则不一样,当进程发起IO 操作之后,就直接返回再也不理睬了,直到kernel发送一个信号,告诉进程说IO完成。在这整个过程中,进程完全没有被block。
各个IO Model的比较如图所示:
注意其中的 signal-driven I/O 使用较少,我们不做讨论。
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