理解一下5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO

09/01 09:31
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作者:尐譽

blog.csdn.net/tjiyu/article/details/52959418

5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO

看了一些文章,发现有很多不同的理解,可能是因为大家入切的角度、环境不一样。所以,我们先说明基本的IO操作及环境。

本文是在《UNIX网络编程 卷1:套接字联网API》6.2节"I/O 模型 "的基础上,即UNIX/LINUX环境下的网络 IO环境下的理解,它里面给出的例子是读取(接收)网络UDP数据。下面简单写写自己对这些IO模型的理解。

1、IO

IO (Input/Output,输入/输出)即数据的读取(接收)或写入(发送)操作,通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段:用户进程空间<-->内核空间、内核空间<-->设备空间(磁盘、网络等)。IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种,通常我们说的IO指的是后两者。

LINUX中进程无法直接操作I/O设备,其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作;内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。

对于一个输入操作来说,进程IO系统调用后,内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据,没有的话再到设备中读取,因为设备IO一般速度较慢,需要等待;内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

所以,对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段:

  • 等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区,数据准备好;
  • 从内核缓冲区复制数据到进程空间。

2、5种IO模型

《UNIX网络编程》说得很清楚,5种IO模型分别是阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型;前4种为同步IO操作,只有异步IO模型是异步IO操作。

下面这样些图,是它里面给出的例子:接收网络UDP数据的流程在IO模型下的分析,在它的基础上再加以简单描述,以区分这些IO模型。搜索Java知音公众号,回复“后端面试”,送你一份Java面试题宝典

2-1、阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后,进程被阻塞,转到内核空间处理,整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

1、典型应用:阻塞socket、Java BIO;

2、特点:

  • 进程阻塞挂起不消耗CPU资源,及时响应每个操作;

  • 实现难度低、开发应用较容易;

  • 适用并发量小的网络应用开发;

不适用并发量大的应用:因为一个请求IO会阻塞进程,所以,得为每请求分配一个处理进程(线程)以及时响应,系统开销大。

2-2、非阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后,如果内核缓冲区没有数据,需要到IO设备中读取,进程返回一个错误而不会被阻塞;进程发起IO系统调用后,如果内核缓冲区有数据,内核就会把数据返回进程。

对于上面的阻塞IO模型来说,内核数据没准备好需要进程阻塞的时候,就返回一个错误,以使得进程不被阻塞。搜索Java知音公众号,回复“后端面试”,送你一份Java面试题宝典

1、典型应用:socket是非阻塞的方式(设置为NONBLOCK)

2、特点:

  • 进程轮询(重复)调用,消耗CPU的资源;

  • 实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难;

  • 适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发;

2-3、IO复用模型

多个的进程的IO可以注册到一个复用器(select)上,然后用一个进程调用该select, select会监听所有注册进来的IO;

如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据,select调用进程会被阻塞;而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时,select调用就会返回;

而后select调用进程可以自己或通知另外的进程(注册进程)来再次发起读取IO,读取内核中准备好的数据。

可以看到,多个进程注册IO后,只有另一个select调用进程被阻塞。

1、典型应用:select、poll、epoll三种方案,nginx都可以选择使用这三个方案;Java NIO;

2、特点:

  • 专一进程解决多个进程IO的阻塞问题,性能好;Reactor模式;

  • 实现、开发应用难度较大;

  • 适用高并发服务应用开发:一个进程(线程)响应多个请求;

3、select、poll、epoll

  • Linux中IO复用的实现方式主要有select、poll和epoll:

  • Select:注册IO、阻塞扫描,监听的IO最大连接数不能多于FD_SIZE;

  • Poll:原理和Select相似,没有数量限制,但IO数量大扫描线性性能下降;

  • Epoll :事件驱动不阻塞,mmap实现内核与用户空间的消息传递,数量很大,Linux2.6后内核支持;

2-4、信号驱动IO模型

当进程发起一个IO操作,会向内核注册一个信号处理函数,然后进程返回不阻塞;当内核数据就绪时会发送一个信号给进程,进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

特点:回调机制,实现、开发应用难度大;

2-5、异步IO模型

当进程发起一个IO操作,进程返回(不阻塞),但也不能返回果结;内核把整个IO处理完后,会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据。

1、典型应用:JAVA7 AIO、高性能服务器应用

2、特点:

  • 不阻塞,数据一步到位;Proactor模式;

  • 需要操作系统的底层支持,LINUX 2.5 版本内核首现,2.6 版本产品的内核标准特性;

  • 实现、开发应用难度大;

  • 非常适合高性能高并发应用;

3、IO模型比较

3-1、阻塞IO调用和非阻塞IO调用、阻塞IO模型和非阻塞IO模型

注意这里的阻塞IO调用和非阻塞IO调用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型:

  • 阻塞IO调用 :在用户进程(线程)中调用执行的时候,进程会等待该IO操作,而使得其他操作无法执行。
  • 非阻塞IO调用:在用户进程中调用执行的时候,无论成功与否,该IO操作会立即返回,之后进程可以进行其他操作(当然如果是读取到数据,一般就接着进行数据处理)。

这个直接理解就好,进程(线程)IO调用会不会阻塞进程自己。所以这里两个概念是相对调用进程本身状态来讲的。

从上面对比图片来说,阻塞IO模型是一个阻塞IO调用,而非阻塞IO模型是多个非阻塞IO调用+一个阻塞IO调用,因为多个IO检查会立即返回错误,不会阻塞进程。

而上面也说过了,非阻塞IO模型对于阻塞IO模型来说区别就是,内核数据没准备好需要进程阻塞的时候,就返回一个错误,以使得进程不被阻塞。

3-2、同步IO和异步IO

  • 同步IO:导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成。

  • 异步IO:不导致请求进程阻塞。

上面两个定义是《UNIX网络编程 卷1:套接字联网API》给出的。这不是很好理解,我们来扩展一下,先说说同步和异步,同步和异步关注的是双方的消息通信机制:

  • 同步:双方的动作是经过双方协调的,步调一致的。
  • 异步:双方并不需要协调,都可以随意进行各自的操作。

这里我们的双方是指,用户进程和IO设备;明确同步和异步之后,我们在上面网络输入操作例子的基础上,进行扩展定义:

  • 同步IO:用户进程发出IO调用,去获取IO设备数据,双方的数据要经过内核缓冲区同步,完全准备好后,再复制返回到用户进程。而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成。

  • 异步IO:用户进程发出IO调用,去获取IO设备数据,并不需要同步,内核直接复制到进程,整个过程不导致请求进程阻塞。

所以, 阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型者为同步IO模型,只有异步IO模型是异步IO。



    
    
  
      
      
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明天见(。・ω・。)ノ

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