浅析Linux中的五种IO模型（上）

IO是什么

I/O(Input/Output)，中文名为输入/输出，指的是一切操作程序或设备与计算机之间发生的数据传输的过程。它分为IO设备和IO接口两个部分。

• IO设备，就是指可以与计算机进行数据传输的硬件。最常见的I/O设备有打印机、硬盘、键盘和鼠标。从严格意义上来讲，它们中有一些只能算是输入设备（比如说键盘和鼠标）；有一些只是输出设备（如打印机）。
• IO接口，就是是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

在计算机的世界里，IO的本质就是计算机的核心（CPU和内存）与其它设备之间数据转移的过程。比如数据从磁盘读入到内存，或内存的数据写回到磁盘，都是IO操作。

IO如何进行交互？

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。

用户进程中的一个完整IO分为两个阶段：

• 用户空间与内核空间交互
• 内核空间与设备空间交互

关于内核空间与用户空间简述

对 32 位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟地址空间，或叫线性地址空间）为 4G（2的32次方），即Linux的虚拟地址空间范围为0～4G。也就是说，一个进程的最大地址空间为 4G。Linux内核将这4G字节的空间分为两部分，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供内核使用，称为“内核空间”。而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF）供各个进程使用，称为“用户空间“。

因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。

从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间，Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用，每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的，最高的1GB虚拟内核空间则为所有进程以及内核所共享，如下图所示。

注意：

这里是32位内核地址空间划分，64位内核地址空间划分是不同的。

内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。

操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，两者不能简单地使用指针传递数据。

因为Linux使用的虚拟内存机制，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成IO动作，内核会为每个IO设备维护一个缓冲区，用户空间的数据可能被换出；因此。当内核

空间使用用户空间指针时，对应的数据可能不在内存中。

为什么需要区分内核空间与用户空间？

在 CPU 的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用，将导致系统崩溃，比如清内存、设置时钟等。如果允许所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。

所以，CPU 将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。

比如，Intel 的 CPU 将特权等级分为 4 个级别：Ring0~Ring3。其实 Linux 系统只使用了 Ring0 和 Ring3 两个运行级别(Windows 系统也是一样的)。

当进程运行在 Ring3 级别时被称为运行在用户态，而运行在 Ring0 级别时被称为运行在内核态。

磁盘IO如何进行交互

对于一个磁盘输入操作来说：

1. 当进程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。
2. 如果没有的话，再到设备中读取，因为设备IO一般速度较慢、需要等待。
3. 如果内核缓冲区有数据，则直接复制到进程空间、

网络IO如何进行交互

对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

1. 等待网络数据到达网卡->读取到内核缓冲区
2. 从内核缓冲区复制数据 –> 用户空间

Linux中的五种IO模型

Linux中的五种IO模型有阻塞IO模型、非阻塞IO模型、信号驱动IO模型、IO多路复用模型、异步IO模型。通常有同步(Sync)/异步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四种调用方式。

基本概念

同步与异步

• 所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。也就是必须一件一件事做，等前一件做完了才能做下一件事。（死等结果）
• 所谓异步，就是当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果，调用者不用等待这件事完成，可以继续做其他的事情。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。（回调通知）

阻塞与非阻塞

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，CPU不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。函数只有在得到结果之后才会返回。
• 非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

小结

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式。同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式。阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成

同步与异步是 两个对象之间的关系，而阻塞与非阻塞是一个对象的状态。

阻塞IO模型（blocking I/O）

场景描述

我和女友点完餐后，不知道什么时候能做好，只好坐在餐厅里面等，直到做好，然后吃完才离开。女友本想还和我一起逛街的，但是不知道饭能什么时候做好，只好和我一起在餐厅等，而不能去逛街，直到吃完饭才能去逛街，中间等待做饭的时间浪费掉了。这就是典型的阻塞。

网络模型

同步阻塞 IO 模型是最常用的一个模型，也是最简单的模型。在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。它符合人们最常见的思考逻辑。阻塞就是进程 "被" 休息，CPU处理其它进程去了。

当用户进程调用了recv()/recvfrom()这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络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）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。第二个阶段：数据拷贝，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block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。

特点

优点：

1. 能够及时返回数据，无延迟；
2. 对内核开发者来说这是省事了；缺点：
3. 对用户来说处于等待就要付出性能的代价了；

非阻塞IO模型（nonblocking I/O）

场景描述

我女友不甘心白白在这等，又想去逛商场，又担心饭好了。所以我们逛一会，回来询问服务员饭好了没有，来来回回好多次，饭都还没吃都快累死了啦。这就是非阻塞。需要不断的询问，是否准备好了。

网络模型

同步非阻塞就是 “每隔一会儿瞄一眼进度条” 的轮询（polling）方式。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 IO 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。

在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，"非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 '被' CPU光顾"。

也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

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，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

特点

优点：

1. 能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。

缺点：

1. 任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

IO多路复用模型（I/O multiplexing）

场景描述

与第二个方案差不多，餐厅安装了电子屏幕用来显示点餐的状态，这样我和女友逛街一会，回来就不用去询问服务员了，直接看电子屏幕就可以了。这样每个人的餐是否好了，都直接看电子屏幕就可以了，这就是典型的IO多路复用。

网络模型

由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。那么这就是所谓的 “IO 多路复用”。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）

select补充说明：

select 是操作系统提供的系统调用函数，通过它，我们可以把一个文件描述符的数组发给操作系统， 让操作系统去遍历，确定哪个文件描述符可以读写， 然后告诉我们去处理。

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时（注意不是全部数据可读或可写），才真正调用I/O操作函数。

IO 多路复用就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为事件驱动IO模型。select/epoll的好处就在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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，将数据从内核拷贝到用户进程。