淺談Linux下的五種I/O模型

 

 1、關於I/O模型的引出

　　咱們都知道，爲了OS的安全性等的考慮，進程是沒法直接操做I/O設備的，其必須經過系統調用請求內核來協助完成I/O動做，而內核會爲每一個I/O設備維護一個buffer。以下圖所示：

 　　

　　整個請求過程爲： 用戶進程發起請求，內核接受到請求後，從I/O設備中獲取數據到buffer中，再將buffer中的數據copy到用戶進程的地址空間，該用戶進程獲取到數據後再響應客戶端。

　　在整個請求過程當中，數據輸入至buffer須要時間，而從buffer複製數據至進程也須要時間。所以根據在這兩段時間內等待方式的不一樣，I/O動做能夠分爲如下五種模式：

　　(1) 阻塞I/O (Blocking I/O)

　　(2) 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

　　(3) I/O複用（I/O Multiplexing)

　　(4) 信號驅動的I/O (Signal Driven I/O)

　　(5) 異步I/O (Asynchrnous I/O)

 

2、關於I/O模型的劃分

　　阻塞：調用的進程一直處於等待狀態，直到操做完成。

　　非阻塞：在內核的數據還未準備好時，會當即返回，進程能夠去幹其餘事情。

　　從同步異步，以及阻塞、非阻塞兩個維度來劃分來看：

　　　　

 

3、I/O模型分述

　　一、阻塞I/O

 　　　　

　　從上圖能夠看到在整個過程當中，當用戶進程進行系統調用時，內核就開始了I/O的第一個階段，準備數據到緩衝區中，當數據都準備完成後，則將數據從內核緩衝區中拷貝到用戶進程的內存中，這時用戶進程才解除block的狀態從新運行。

　　因此，Blocking I/O的特色就是在I/O執行的兩個階段都被block了。

 

　　二、非阻塞I/O

 　　　　

　　從上圖能夠看到在I/O執行的兩個階段中，用戶進程只有在第二個階段被阻塞了，而第一個階段沒有阻塞，可是在第一個階段中，用戶進程須要盲等，不停的去輪詢內核，看數據是否準備好了，所以該模型是比較消耗CPU的。

 

　　三、I/O複用

　　　　

 　　從上圖能夠看到在I/O複用模型中，I/O執行的兩個階段都是用戶進程都是阻塞的，可是兩個階段是獨立的，在一次完整的I/O操做中，該用戶進程是發起了兩次系統調用。

 

　　四、信號驅動的I/O

 　　　　

　　該模型也叫做基於事件驅動的I/O模型，能夠看到該模型中，只有在I/O執行的第二階段阻塞了用戶進程，而在第一階段是沒有阻塞的。

　　乍看起來感受和非阻塞模型很類似，其實不一樣之處就在於，該模型在I/O執行的第一階段，當數據準備完成以後，會主動的通知用戶進程數據已經準備完成，即對用戶進程作一個回調。該通知分爲兩種，一爲水平觸發，即若是用戶進程不響應則會一直髮送通知，二爲邊緣觸發，即只通知一次。

 

　　五、異步I/O

 　　　　

　　在該模型中，當用戶進程發起系統調用後，馬上就能夠開始去作其它的事情，而後直到I/O執行的兩個階段都完成以後，內核會給用戶進程發送通知，告訴用戶進程操做已經完成了。

 

4、五種模型總結