Linux 网络I/O模型

前言

     本文是笔者的第一篇博文，在这篇文章的大部份内容基于steven大神的《Unix Network Programming》。一来是对书本内容的整理与概括。二来也是为接下来的博文奠基基础。

     在实际应用中，数据操做一般分为输入和输出，那么以输入为例，在操做系统中，一个数据的输入一般分为如下两个过程：

1. 等待数据准备好.
2. 将准备好的数据从内核拷贝到用户空间

     下面咱们将会分别讨论 I/O 模型中的两个大类，即 同步 I/O 与 异步 I/O。

      图 1. 基本I/O 模型的简单矩阵

同步阻塞I/O

      最经常使用的一个模型是同步阻塞 I/O 模型。其行为很是容易理解，其用法对于典型的应用程序来讲都很是有效。在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。而后会触发读操做，当响应返回时（从咱们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。而后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。

       图 2. 同步阻塞 I/O 模型

 

同步非阻塞 I/O

     同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操做不会当即完成，read操做可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能当即知足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）

      图 3. 同步非阻塞 I/O 模型

      当一个应用进程像这样对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，咱们称之为轮询(polling)。应用进程只需轮询内核，以查看某个操做是否就绪。这么作每每耗费大量CPU时间。

I/O复用模型

      I/O 复用有时又被称为 事件驱动 I/O, 它的最大优点在于，咱们能够将感兴趣的多个I/O事件（更精确的说，应该是 I/O 所对应的文件描述符）注册到 select/poll/epoll/kqueue 之中某一个系统调用上（不少时候，这些系统调用又被称为多路复用器。假设此时咱们选择了 select() ）。此后，调用进程会阻塞在 select() 系统调用之上（而不是阻塞在真正的 I/O 系统调用（如 read(), write() 等）上）。select() 会负责监视全部已注册的 I/O 事件，一旦有任意一个事件的数据准备好，那么 select() 会当即返回，此时咱们的用户进程便可以进行数据的复制操做。

        图 4.  I/O复用模型

     总而言之，I/O 复用的优势就在于能够同时等待多个I/O事件；而缺点是会进行两次系统调用（一次 select(), 一次 read() ）。

信号驱动式I/O模型

     在这种模型下，咱们首先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并经过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。改系统调用将当即返回，咱们的进程继续工做，也就是说他没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。咱们随后就能够在信号处理函数中调用read读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理，也能够当即通知主循环，让它读取数据报。

       图 5. 信号驱动I/O模型

     不管如何处理SIGIO信号，这种模型的优点在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环能够继续执行，只要等到来自信号处理函数的通知：既能够是数据已准备好被处理，也能够是数据报已准备好被读取。

异步非阻塞 I/O

     异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会当即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操做时，应用程序而后会执行其余处理操做。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成此次 I/O 处理过程。

      图 6. 异步非阻塞I/O模型

      在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操做和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差别。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 能够执行其余任务；或者更为常见的是，在发起其余 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操做。

各类I/O模型的比较

      经过上面的讨论能够清楚的看到，同步 I/O 总会有阻塞的过程，这就是“同步”最本质的特征。而如前文所说，异步 I/O 的最大特色在于用户进程均不阻塞。 用户进程告知内核启动某一 I/O 操做， 并让内核全权代为执行（包括等待数据及拷贝数据至用户空间），此后用户进程能够当即执行其它的任何操做。等到全部 I/O 过程执行完成后， 内核会通知用户程。因而可知，在整个过程当中，用户进程均不阻塞。

       图 7. 各类I/O模型的比较1

      图 8 . I/O 模型比较2

I/O模型	读写操做和阻塞阶段
阻塞I/O	应用阻塞于读写函数
I/O复用	应用阻塞于I/O复用系统调用，但可同时监听多个I/O事件。对I/O自己的读写操做是非阻塞的
信号驱动I/O	信号触发读写就绪事件，用户程序执行读写操做。应用没有阻塞阶段
异步I/O	内核执行读写操做并触发读写完成事件。应用没有阻塞阶段

 

 

 

 

 

参考

    《Unix Network Programming》(volume 1)

    《使用异步 I/O 大大提升应用程序的性能》