深刻淺出IO模型

什麼是IO？

在類unix系統中，全部的IO設備(網絡，磁盤，終端...)都被模型化爲文件，IO是主存(main memory)和外部設備(磁盤，終端，網絡...)之間拷貝數據的過程。

I/O的過程

• 打開文件

應用進程請求內核打開文件，內核返回一個文件的描述符(非負整數)，內核記錄打開的文件的全部信息，應用進程只需記錄文件描述符。

• 改變當前文件的位置

內核中記錄一個文件位置k，每一個打開的文件初始爲0，應用進程能夠經過seek操做，顯式的改變文件的位置。

• 讀寫文件

讀：從文件位置k開始讀取n個字節到存儲器，而後將k增長到k+n。

寫：存儲器拷貝從k開始，n結束個字節到一個文件，而後更新k。

• 關閉文件

應用進程請求內核關閉文件，內核釋放記錄的文件信息，將文件描述符釋放回描述符池。

IO模型

咱們想要了解操做系統的IO模型須要先了解幾個基本的概念。

• 阻塞：請求不能當即獲得應答，須要等待。

• 非阻塞：請求當即獲得應答，不須要等待。

• 同步I/O：同步I/O操做引發請求進程阻塞，直到I/O操做完成。

• 異步I/O：異步I/O操做不引發請求進程阻塞。

舉個🌰

在🌰中咱們的請求進程化身肥宅，操做系統內核化身外賣老闆。

場景是肥宅週末早上在家餓了，想要吃外賣。

下面是肥宅叫外賣不一樣的方式。

阻塞：肥宅打了外賣的電話，外賣的老闆正在忙，因此把肥宅掛着，肥宅只能等老闆忙完才能訂外賣。

非阻塞：肥宅打了外賣的電話，無論有沒有東西賣給肥宅，外賣老闆都當即回覆了肥宅。

同步I/O：肥宅打了外賣的電話，外賣老闆告訴肥宅外賣何時送到，肥宅須要本身定時打電話問一下外賣到了沒。

異步I/O：肥宅打了外賣的電話下了訂單，肥宅就去打遊戲去了。外賣老闆會在指定的時間把外賣送到肥宅家裏，並打電話讓肥宅來取。

五種I/O模型

瞭解了阻塞，非阻塞，異步與同步，下面咱們的五種I/O模型都會用到這些概念。

阻塞I/O模型

請求進程發起系統調用後，一直等待內核數據拷貝完成，整個過程請求進程是阻塞的。

非阻塞I/O模型

請求進程發起系統調用後，若是內核沒有準備好會返回一個EWOULDBLOCK。而後請求進程會一直輪詢內核，直到內核準備好，開始拷貝數據。

I/O複用模型

• select: 多個的進程的IO能夠註冊到一個複用器（select）上，而後用一個進程調用該select， select會監聽全部註冊進來的IO。單個進程所能打開的文件描述符最大隻能是1024。使用該技術會有C10K併發問題
• poll: 對select的一種優化，基於鏈表實現，沒有了1024的限制，可是對鏈表的遍歷使性能低下。
• epoll: 不須要線性遍歷，經過callback進行IO完成後的通知。(因爲AIO不成熟，在linux大多使用epoll)
• kqueue: 與epoll相似，存在FreeBSD中。

信號驅動I/O模型

當進程發起一個IO操做，會向內核註冊一個信號處理函數，而後進程返回不阻塞；當內核數據就緒時會發送一個信號給進程，進程便在信號處理函數中調用IO讀取數據。

異步I/O模型

當進程發起一個IO操做，進程返回（不阻塞），但也不能返回結果；內核把整個IO處理完後，會通知進程結果。若是IO操做成功則進程直接獲取到數據。

I/O模型的比較

同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路複用、信號驅動IO都屬於同步IO。

只有異步IO屬於異步IO。

linux異步I/O有基於線程池的，但AIO有缺陷（沒法利用系統緩存等），使用比較多的是epoll。（AIO是posix標準）

win異步I/O使用比較多的是IOCP。

異步I/O線程池主流的實現是IO線程負責I/O(大部分時間阻塞在I/O上)，線程間經過信號量進行通訊。

異步I/O庫

• glibc aio： 缺陷是自帶單獨的執行線程去執行回調函數，這對使用者來講很難控制。
• ACE：ACE 過於複雜，甚至比它試圖封裝的對象更復雜。
• libevent : 名氣最大，應用最普遍，歷史悠久的跨平臺事件庫。（缺點：使用全局變量，定時器沒法處理時間跳變等設計缺陷。）
• libev : 較libevent而言，設計更簡練，性能更好。（缺點：對Windows支持不夠好）
• libuv : 開發node的過程當中須要一個跨平臺的事件庫，他們首選了libev，但又要支持Windows，故從新封裝了一套，*nix下早期用libev實現(現已本身實現)，Windows下用IOCP實現；(缺點：沒有正確的處理 TCP 關閉，容許空回調,用戶不知道出錯在哪裏)。
• ASIO：在epoll的基礎上用iocp的思想墊了一層，而後封裝爲統一接口（缺點：在linux上會損失一部分效率）。

Libevent、libev、libuv三個網絡庫，都是c語言實現的異步事件庫Asynchronousevent library）。

ASIO在2017年進入了c++標準。

node的異步I/O底層庫使用的是libuv。

參考連接

unix網絡編程

那些年咱們追過的網絡庫