Linux 網絡I/O模型

前言

     本文是筆者的第一篇博文，在這篇文章的大部份內容基於steven大神的《Unix Network Programming》。一來是對書本內容的整理與概括。二來也是爲接下來的博文奠基基礎。

     在實際應用中，數據操做一般分爲輸入和輸出，那麼以輸入爲例，在操做系統中，一個數據的輸入一般分爲如下兩個過程：

1. 等待數據準備好.
2. 將準備好的數據從內核拷貝到用戶空間

     下面咱們將會分別討論 I/O 模型中的兩個大類，即 同步 I/O 與 異步 I/O。

      圖 1. 基本I/O 模型的簡單矩陣

同步阻塞I/O

      最經常使用的一個模型是同步阻塞 I/O 模型。其行爲很是容易理解，其用法對於典型的應用程序來講都很是有效。在調用 read 系統調用時，應用程序會阻塞並對內核進行上下文切換。而後會觸發讀操做，當響應返回時（從咱們正在從中讀取的設備中返回），數據就被移動到用戶空間的緩衝區中。而後應用程序就會解除阻塞（read 調用返回）。

       圖 2. 同步阻塞 I/O 模型

 

同步非阻塞 I/O

     同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中，設備是以非阻塞的形式打開的。這意味着 I/O 操做不會當即完成，read操做可能會返回一個錯誤代碼，說明這個命令不能當即知足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）

      圖 3. 同步非阻塞 I/O 模型

      當一個應用進程像這樣對一個非阻塞描述符循環調用recvfrom時，咱們稱之爲輪詢(polling)。應用進程只需輪詢內核，以查看某個操做是否就緒。這麼作每每耗費大量CPU時間。

I/O複用模型

      I/O 複用有時又被稱爲 事件驅動 I/O, 它的最大優點在於，咱們能夠將感興趣的多個I/O事件（更精確的說，應該是 I/O 所對應的文件描述符）註冊到 select/poll/epoll/kqueue 之中某一個系統調用上（不少時候，這些系統調用又被稱爲多路複用器。假設此時咱們選擇了 select() ）。此後，調用進程會阻塞在 select() 系統調用之上（而不是阻塞在真正的 I/O 系統調用（如 read(), write() 等）上）。select() 會負責監視全部已註冊的 I/O 事件，一旦有任意一個事件的數據準備好，那麼 select() 會當即返回，此時咱們的用戶進程便可以進行數據的複製操做。

        圖 4.  I/O複用模型

     總而言之，I/O 複用的優勢就在於能夠同時等待多個I/O事件；而缺點是會進行兩次系統調用（一次 select(), 一次 read() ）。

信號驅動式I/O模型

     在這種模型下，咱們首先開啓套接字的信號驅動式I/O功能，並經過sigaction系統調用安裝一個信號處理函數。改系統調用將當即返回，咱們的進程繼續工做，也就是說他沒有被阻塞。當數據報準備好讀取時，內核就爲該進程產生一個SIGIO信號。咱們隨後就能夠在信號處理函數中調用read讀取數據報，並通知主循環數據已經準備好待處理，也能夠當即通知主循環，讓它讀取數據報。

       圖 5. 信號驅動I/O模型

     不管如何處理SIGIO信號，這種模型的優點在於等待數據報到達期間進程不被阻塞。主循環能夠繼續執行，只要等到來自信號處理函數的通知：既能夠是數據已準備好被處理，也能夠是數據報已準備好被讀取。

異步非阻塞 I/O

     異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進行的模型。讀請求會當即返回，說明 read 請求已經成功發起了。在後臺完成讀操做時，應用程序而後會執行其餘處理操做。當 read 的響應到達時，就會產生一個信號或執行一個基於線程的回調函數來完成此次 I/O 處理過程。

      圖 6. 異步非阻塞I/O模型

      在一個進程中爲了執行多個 I/O 請求而對計算操做和 I/O 處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差別。當一個或多個 I/O 請求掛起時，CPU 能夠執行其餘任務；或者更爲常見的是，在發起其餘 I/O 的同時對已經完成的 I/O 進行操做。

各類I/O模型的比較

      經過上面的討論能夠清楚的看到，同步 I/O 總會有阻塞的過程，這就是「同步」最本質的特徵。而如前文所說，異步 I/O 的最大特色在於用戶進程均不阻塞。 用戶進程告知內核啓動某一 I/O 操做， 並讓內核全權代爲執行（包括等待數據及拷貝數據至用戶空間），此後用戶進程能夠當即執行其它的任何操做。等到全部 I/O 過程執行完成後， 內核會通知用戶程。因而可知，在整個過程當中，用戶進程均不阻塞。

       圖 7. 各類I/O模型的比較1

      圖 8 . I/O 模型比較2

I/O模型	讀寫操做和阻塞階段
阻塞I/O	應用阻塞於讀寫函數
I/O複用	應用阻塞於I/O複用系統調用，但可同時監聽多個I/O事件。對I/O自己的讀寫操做是非阻塞的
信號驅動I/O	信號觸發讀寫就緒事件，用戶程序執行讀寫操做。應用沒有阻塞階段
異步I/O	內核執行讀寫操做並觸發讀寫完成事件。應用沒有阻塞階段

 

 

 

 

 

參考

    《Unix Network Programming》(volume 1)

    《使用異步 I/O 大大提升應用程序的性能》