以下文章来源于陈树义 ,作者陈树义
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IO 其实就是 Input 和 Output,在操作系统中就对应数据流的输入与输出。这个数据流的两端,可以是文件,也可以是网络的一台主机。但无论是文件,还是网络主机,其传输都是类似的,我们今天就以源头为文件进行说明。
一个文件要从磁盘到我们的内存,需要经过很复杂的操作。首先,需要将数据从硬件读取出来,然后放入操作系统内核缓冲区,之后再将数据拷贝到程序缓冲区,最后应用程序才能读取到这个文件。简单地说,无论什么 IO 模型,其读取过程总会经历下面两个阶段:
而我们 Linux 根据这两个阶段的是否阻塞,分成了 5 个经典的 IO 的模型,分别是:
阻塞 IO 称为 Blocking IO,简称 BIO。在阻塞 IO 模型中,当进程发起一个读取文件请求(recvfrom 系统调用)时,如果内核缓存区没有对应的数据,那么它不会立刻恢复,而是去读取磁盘数据,当数据读取完毕后,再返回给进程。此时,第一个阶段完成。在这个阶段进程是阻塞的,因为它要等待内核将数据读取到内核缓冲区。
而当进程收到内核的响应之后,进程再把数据从内核缓冲区复制到程序缓冲区,最后完成文件读取操作。此时,第二个阶段完成。在这个阶段进程也是阻塞的,因为它要将数据从内核缓冲区拷贝到程序缓冲区。
简单地说:在阻塞 IO 模型里,从硬件到系统内核、从系统内核到程序空间,都是阻塞的。
在非阻塞 IO 模型下,当一个请求发起读取文件请求(recvfrom)时,如果内核缓冲区没有数据,那么内核会读取文件数据。但此时请求并不会阻塞,而是返回一个错误信息(EWOULDBLOCK)告诉进程:数据暂时还没准备好,你待会儿再试试。
于是进程就不断地向内核重试,问:数据准备好了没有,数据准备好了没有……当内核准备好数据,进程就会收到对应消息,于是第一阶段就结束了。非阻塞 IO 中的非阻塞说的就是进程不会阻塞在这里,而是会不断重试。
虽然说这样并没有太大用处,反而会使得 CPU 空转,但总比之前有了一点进步。在这个阶段进程并不是阻塞的。当进程得知内核准备好数据之后,其便会将数据从内核缓冲区拷贝到程序缓冲区。这个阶段与阻塞 I/O 模型是完全一样的,同样是会导致进程阻塞。
简单地说:在非阻塞 IO 模型里,从硬件到系统内核、从系统内核到程序空间,同样都是阻塞的。但是其比阻塞 IO 争气了一点,并不是站在那里不动,好歹还跑了一下。虽然是在做无用功,但是好歹提高了一丢丢效率。
IO 复用之所以叫复用,是因为其能同时操作多个数据流。而前面的 阻塞 IO、非阻塞 IO 同一时间只能操作一个数据流。在 IO 复用模型中,进程监听多个数据流并阻塞,当任何一个数据流有数据之后,其便会收到内核的响应。此时,第一个阶段完成,在这个阶段进程其实是阻塞的。
而当收到内核的响应后,进程便会将数据从内核缓冲区复制到程序缓冲区。这个阶段与上面两个模型一模一样,进程同样阻塞。
简单地说:IO 复用模型在第二阶段与阻塞 IO 和非阻塞 IO 是完全一致的。但是在第一阶段上,其有效率上的巨大提升,其能同时轮询多个数据流,提高了效率。
信号驱动与前面几个模型的不同之处就在于信号这个词。信号驱动 IO 在第一阶段,即数据到达内核缓冲区之前,进程是不阻塞的,而是设置一个信号回调。当数据到达内核缓冲区之后,内核调用程序的回调。通过这种方式,信号驱动 IO 下的进程就可以不阻塞,可以去做其他事情了。
而当进程收到信号,进程再将数据从内核缓冲区复制到程序缓冲区。这个过程与上面几个是完全一样的,同样也是阻塞的。
信号驱动 IO 可以说是 IO 读取的一个里程碑,其真正实现了异步读取数据。信号驱动 IO 其二个阶段,与上面几个是一样的。但是其在第一个阶段做到了真正的异步。信号驱动 IO 在第一阶段,其去请求内核读取数据,这时候其不会阻塞,也不会去寻轮,而是设置一个信号回调。 当数据完全拷贝到系统内核时,系统发出 SIGIO 信号,通知进程去进行第二阶段,将数据拷贝到程序缓冲区。
异步 IO 相比前面几个流程,真正做到了完全非阻塞。无论是在第一阶段,还是在第二阶段都是非阻塞。与信号驱动 IO 类似,异步 IO 模型通过信号回调的方式,在第一个阶段实现了进程的非阻塞。而当数据到达内核缓冲区之后,进程便会收到通知。
而当进程收到通知之后,进程再次将数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区,但这时进程并不等待,而是同样设置一个信号回调。当复制完成后,进程收到通知,再进行相应的处理。
异步 IO 与信号驱动 IO 相比,做得更加彻底了!
异步 IO 不仅仅是在第一阶段实现了信号回调,其也在第二阶段实现了信号回调,从而完全实现了异步 IO 操作。
我们回顾一下这 5 种 IO 模型,按照其在两个阶段的特点区分:
从上面的 5 种 IO 模型,我们可以看出,真正实现异步非阻塞的只有异步 IO 这种模型,而其他四种都是同步性 IO。因为在第二阶段:从内核缓冲区复制到进程缓冲区的时候,不可能干其他事情。
好了,关于 Linux IO 模型的分享,今天就聊到这儿。谢谢大家的阅读。