计算机操作系统学习笔记(10)——文件IO

简介: 计算机操作系统学习笔记(10)——文件IO

⽂件的读写⽅式各有千秋,对于⽂件的 I/O 分类也⾮常多,常⻅的有

缓冲与⾮缓冲 I/O

直接与⾮直接 I/O

阻塞与⾮阻塞 I/O VS 同步与异步 I/O


一、缓冲与⾮缓冲 I/O

⽂件操作的标准库是可以实现数据的缓存,那么根据「是否利⽤标准库缓冲」,可以把⽂件I/O 分为缓冲 I/O 和⾮缓冲 I/O:

缓冲 I/O,利⽤的是标准库的缓存实现⽂件的加速访问,⽽标准库再通过系统调⽤访问⽂件。

⾮缓冲 I/O,直接通过系统调⽤访问⽂件,不经过标准库缓存。

⽐⽅说,很多程序遇到换⾏时才真正输出,⽽换⾏前的内容,其实就是被标准库暂时缓存了起来,这样做的⽬的是,减少系统调⽤的次数,毕竟系统调⽤是有 CPU 上下⽂切换的开销的。


二、直接与⾮直接 I/O

Linux 内核为了减少磁盘 I/O 次数,在系统调⽤后,会把⽤户数据拷⻉到内核中缓存起来,这个内核缓存空间也就是「⻚缓存」,只有当缓存满⾜某些条件的时候,才发起磁盘 I/O 的请求。

那么,根据「是否利⽤操作系统的缓存」,可以把⽂件 I/O 分为直接 I/O 与⾮直接 I/O:

直接 I/O,不会发⽣内核缓存和⽤户程序之间数据复制,⽽是直接经过⽂件系统访问磁盘。

⾮直接 I/O,读操作时,数据从内核缓存中拷⻉给⽤户程序,写操作时,数据从⽤户程序拷⻉给内核缓存,再由内核决定什么时候写⼊数据到磁盘。

说白了就是根据发生不发生内核缓存和⽤户程序之间数据复制来区别

如果你在使⽤⽂件操作类的系统调⽤函数时,指定了 O_DIRECT 标志,则表示使⽤直接I/O。如果没有设置过,默认使⽤的是⾮直接 I/O。


二、阻塞与⾮阻塞 I/O VS 同步与异步 I/O

I/O 是分为两个过程的:


1.数据准备的过程

2.数据从内核空间拷⻉到⽤户进程缓冲区的过程

阻塞IO

阻塞 I/O,当⽤户程序执⾏ read ,线程会被阻塞,⼀直等到内核数据准备好,并把数据从内核缓冲区拷⻉到应⽤程序的缓冲区中,当拷⻉过程完成, read 才会返回。

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注意,阻塞等待的是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷⻉到⽤户态」这两个过程。


⾮阻塞 I/O

⾮阻塞 I/O,⾮阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下⽴即返回,可以继续往下执⾏,此时应⽤程序不断轮询内核,直到数据准备好,但是获取数据的过程,是⼀个同步的过程,仍然需要等待的过程

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IO多路复用

⾮阻塞 I/O中应⽤程序每次轮询内核的 I/O 是否准备好,感觉有点傻乎乎,因为轮询的过程中,应⽤程序啥也做不了,只是在循环。

为了解决这种傻乎乎轮询⽅式,于是 I/O 多路复⽤技术就出来了,如 select、poll,它是通过I/O 事件分发,当内核数据准备好时,再以事件通知应⽤程序进⾏操作。

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实际上,⽆论是阻塞 I/O、⾮阻塞 I/O,还是基于⾮阻塞 I/O 的多路复⽤都是同步调⽤。因为它们在 read 调⽤时,内核将数据从内核空间拷⻉到应⽤程序空间,过程都是需要等待的。

说白了就是他们第二步都是需要等待的


异步 I/O

⽽真正的异步 I/O 是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷⻉到⽤户态」这两个过程都不⽤等待。

当我们发起 aio_read 之后,就⽴即返回,内核⾃动将数据从内核空间拷⻉到应⽤程序空间,这个拷⻉过程同样是异步的,内核⾃动完成的,和前⾯的同步操作不⼀样,应⽤程序并不需要主动发起拷⻉动作。


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总结

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举个你去饭堂吃饭的例⼦,你好⽐⽤户程序,饭堂好⽐操作系统。

阻塞 I/O 好⽐,你去饭堂吃饭,但是饭堂的菜还没做好,然后你就⼀直在那⾥等啊等,等了

好⻓⼀段时间终于等到饭堂阿姨把菜端了出来(数据准备的过程),但是你还得继续等阿姨

把菜(内核空间)打到你的饭盒⾥(⽤户空间),经历完这两个过程,你才可以离开。


⾮阻塞 I/O 好⽐,你去了饭堂,问阿姨菜做好了没有,阿姨告诉你没,你就离开了,过⼏⼗

分钟,你⼜来饭堂问阿姨,阿姨说做好了,于是阿姨帮你把菜打到你的饭盒⾥,这个过程你

是得等待的。


基于⾮阻塞的 I/O 多路复⽤好⽐,你去饭堂吃饭,发现有⼀排窗⼝,饭堂阿姨告诉你这些窗

⼝都还没做好菜,等做好了再通知你,于是等啊等( select 调⽤中),过了⼀会阿姨通知

你菜做好了,但是不知道哪个窗⼝的菜做好了,你⾃⼰看吧。于是你只能⼀个⼀个窗⼝去确

认,后⾯发现 5 号窗⼝菜做好了,于是你让 5 号窗⼝的阿姨帮你打菜到饭盒⾥,这个打菜的

过程你是要等待的,虽然时间不⻓。打完菜后,你⾃然就可以离开了。


异步 I/O 好⽐,你让饭堂阿姨将菜做好并把菜打到饭盒⾥后,把饭盒送到你⾯前,整个过程

你都不需要任何等待。

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