I/O模型: 阻塞、非阻塞、I/O复用、同步、异步
来源:互联网 发布:中国证券市场数据库 编辑:程序博客网 时间:2024/06/16 15:46
I/O模型: 阻塞、非阻塞、I/O复用、同步、异步
I/O模型不论在实际使用还是准备笔试面试中都是重要的内容,参考Unix网络编程进行总结如下。(尤其注意红色标注处)
1. 明确I/O考察的对象和流程
参考Unix网络编程,一个输入操作通常包括两个不同的阶段:
(1) 等待数据准备好;
(2) 从内核向进程复制数据。
对于一个套接字的输入操作,第一步通常涉及等待数据从网络到达,当所等待分组到达时,被复制到内核的某个缓冲区;
第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
理解上述两个不同阶段对于后续理解I/O模型尤其是非阻塞I/O与同步I/O关系十分必要。
2. I/O模型
2.1 阻塞式I/O模型
阻塞式I/O是最流行的I/O,也是所有套接字默认的I/O。
(注:所有图片来源 Unix网络编程卷1,第三版)
如图所示,进程调用recvfrom系统调用,直到数据报到达且被复制到应用进程缓冲区中或发生错误才返回。
也就是说,进程从调用recvfrom开始到返回的整个时段都是阻塞的(上述两个阶段都是阻塞),recvfrom成功返回后,应用进程才开始处理数据报。
2.2 非阻塞I/O模型
根据书中的定义,当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时,不投入睡眠,而是返回一个错误。
还是考察图示比较清晰。
如图所示,不同于阻塞式I/O,非阻塞I/O在第一阶段数据没有准备好的时候,不阻塞,而是直接返回一个错误(EWOULDBLOCK)。
所以一般采用轮询(polling)的方式,应用进程持续轮询内核,查看数据是否准备好。当数据准备好时,被复制到应用进程缓冲区(第二阶段)。
注*:值得注意的一点是,当第一阶段数据准备完成后,进入第二阶段,内核向内存的复制。这一阶段仍然是阻塞的,这对于后续理解非阻塞与同步的关系十分重要。
2.3 I/O复用模型
I/O复用最常见的就是select和epoll,其阻塞发生在上述两个系统调用之一,而不是真正的I/O系统调用上。
如下图所示:
当用户进程调用了select,那么整个进程会被阻塞与select。内核会“监视”所有select负责的套接字,当任何一个套接字中的数据准备好了,select就会返回。
这时候进入第二阶段,完成内核向内存的数据复制。
I/O复用的优势在于同时等待多个描述符就绪,单就一个描述符可言,其没有优势,反而还会因为多一次select系统调用存在劣势。
2.4 异步I/O模型
异步I/O的工作机制是告知内核启动某个操作,并让内核在整个操作(包括第二阶段数据从内核向内存的复制)完成后告知我们。
如下图所示:
异步I/O要通过调用特殊API实现(如POSIX的aio_read),可以看出,其在两个阶段都是没有对于用户进程的阻塞的,依靠信号通知进程整个过程完成。
2.5 同步、异步与阻塞、非阻塞、I/O复用的关系
首先先来再明确一下同步、异步I/O之间的区别。
书中所述,POSIX把两种术语定义如下:
同步I/O:导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成;
异步I/O: 不导致请求进程阻塞。
所以说,阻塞式I/O, 非阻塞I/O, I/O复用由于都导致了请求进程阻塞,所以均属于同步I/O。
(值得注意的是非阻塞I/O,正如之前提示要注意的,其在第二阶段内核向内存复制数据是会导致用户进程的阻塞,所以也属于同步I/O)
想使用异步I/O,必须使用特殊的API(如linux下AIO,Windows下IOCP等)。
所以他们的关系如下图所示:
(注:图片来源陈硕知乎上的解答)
3. 总结
如下图所示:(暂时忽略信号驱动I/O)
图中清晰地总结了每种I/O的特点和调用流程。
可以看出阻塞式、非阻塞式、与I/O复用,其不同之处在于第一阶段,第二阶段的处理方式相同(均阻塞与recvfrom调用),这也是刚才说到的将他们归于同步I/O的原因。
而异步I/O不存在请求进程阻塞的情况。同时注意前三种I/O模型在第一阶段的处理方式(阻塞,返回+轮询,阻塞于select等),区分这三种I/O模型。
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