Linux 下的五种 IO 模型详细介绍

简介: 根据上述定义,我们的前4种模型——阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型和信号驱动式I/O模型都是同步I/O模型,因为其中真正的I/O操作(recvfrom )将阻塞进程。异步请求:A调用B,B的处理是异步的,B在接到请求后先告诉A我已经接到请求了,然后异步去处理,处理完之后通过回调等方式再通知A。和上面的阻塞IO模型相比,非阻塞IO模型在内核数据没准备好,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。阻塞请求:A调用B,A一直等着B的返回,别的事情什么也不干。

I/O 分为两个过程

  1. 数据准备的过程
  2. 数据从内核空间拷贝到用户进程缓冲区的过程

同步和异步

由于CPU和内存的速度远远高于外设的速度,所以在IO编程中,就存在速度严重不匹配的问题。

同步请求:A调用B,B的处理是同步的,在处理完之前他不会通知A,只有处理完之后才会明确的通知A。
异步请求:A调用B,B的处理是异步的,B在接到请求后先告诉A我已经接到请求了,然后异步去处理,处理完之后通过回调等方式再通知A。
同步和异步最大的区别就是被调用方的执行方式和返回时机。同步指的是被调用方做完事情之后再返回,异步指的是被调用方先返回,然后再做事情,做完之后再想办法通知调用方。

阻塞和非阻塞

阻塞请求:A调用B,A一直等着B的返回,别的事情什么也不干。
非阻塞请求:A调用B,A不用一直等着B的返回,先去忙别的事情了。
阻塞和非阻塞最大的区别就是在被调用方返回结果之前的这段时间内,调用方是否一直等待。阻塞指的是调用方一直等待别的事情什么都不做。非阻塞指的是调用方先去忙别的事情。

一,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。

在这里插入图片描述

二,非阻塞IO模型

和上面的阻塞IO模型相比,非阻塞IO模型在内核数据没准备好,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。

  • 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。

在这里插入图片描述

三,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读数据时,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。
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(1024)。
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。

在这里插入图片描述

四,信号驱动的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。

在这里插入图片描述

五,异步IO模型。

当进程发起一个IO操作,进程返回(不阻塞),但也不能返回结果。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。

在这里插入图片描述

各种IO模型的比较

在这里插入图片描述

对比上图5种模型可知,前四种模型主要区别在于第一阶段,他们的第二阶段都是一样的.相反,异步IO在这两个阶段都需要处理,从而不同于上四种模型.

根据上述定义,我们的前4种模型——阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型和信号驱动式I/O模型都是同步I/O模型,因为其中真正的I/O操作(recvfrom )将阻塞进程。只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配。

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