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Linux下的五种I:O模型.md

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Linux下的五种I/O模型

一、关于I/O模型的引出

我们都知道,为了OS的安全性等的考虑,进程是无法直接操作I/O设备的,其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作,而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。如下图所示:

整个请求过程为:用户进程发起请求,内核接受到请求后,从I/O设备中获取数据到内核态下的buffer中,再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间,该用户进程获取到数据后再响应客户端。

在整个请求过程中,数据输入至内核态下的buffer需要时间,而从buffer复制数据至进程也需要时间。因此根据在这两段时间内等待方式的不同,I/O动作可以分为以下五种模式:

  • 阻塞I/O (Blocking I/O)
  • 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)
  • 异步I/O (Asynchrnous I/O)
  • I/O复用(I/O Multiplexing)
  • 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

二、关于I/O模型的划分

阻塞:调用的进程一直处于等待状态(即阻塞态),直到操作完成。

非阻塞:在内核的数据还未准备好时,会立即返回,进程可以去干其他事情。

从同步、异步,以及阻塞、非阻塞两个维度来划分来看:

三、I/O模型分述

1、阻塞I/O

从上图可以看到在整个过程中,当用户进程进行系统调用时,内核就开始了I/O的第一个阶段,准备数据到缓冲区中(这个过程中,用户进程处于阻塞状态)。当数据都准备完成后,则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中(这个过程中,用户进程处于阻塞状态),这时用户进程才解除block的状态重新运行。

所以,Blocking I/O的特点就是在I/O执行的两个阶段都被block了

2、非阻塞I/O

从上图可以看到在I/O执行的两个阶段中,用户进程只有在第二个阶段被阻塞了,而第一个阶段没有阻塞,但是在第一个阶段中,用户进程需要盲等,不停的去轮询内核(此时多次从用户态陷入内核态),看数据是否准备好了,因此该模型是比较消耗CPU的

3、I/O复用

从上图可以看到在I/O复用模型中,I/O执行的两个阶段的过程,用户进程都是阻塞的,但是两个阶段是独立的,在一次完整的I/O操作中,该用户进程是发起了两次系统调用

4、信号驱动的I/O

该模型也叫作基于事件驱动的I/O模型,可以看到该模型中,只有在I/O执行的第二阶段阻塞了用户进程,而在第一阶段是没有阻塞的。

看起来感觉和非阻塞模型很相似,其实不同之处就在于,该模型在I/O执行的第一阶段,当数据准备完成之后,会主动的通知用户进程数据已经准备完成,即对用户进程做一个回调该通知分为两种,一为水平触发,即如果用户进程不响应则会一直发送通知,二为边缘触发,即只通知一次

5、异步I/O

在该模型中,当用户进程发起系统调用后,立刻就可以开始去做其它的事情然后直到I/O执行的两个阶段都完成之后,内核会给用户进程发送通知,告诉用户进程操作已经完成了

四、五种模型总结