深刻浅出IO模型

什么是IO？

在类unix系统中，全部的IO设备(网络，磁盘，终端...)都被模型化为文件，IO是主存(main memory)和外部设备(磁盘，终端，网络...)之间拷贝数据的过程。

I/O的过程

• 打开文件

应用进程请求内核打开文件，内核返回一个文件的描述符(非负整数)，内核记录打开的文件的全部信息，应用进程只需记录文件描述符。

• 改变当前文件的位置

内核中记录一个文件位置k，每一个打开的文件初始为0，应用进程能够经过seek操做，显式的改变文件的位置。

• 读写文件

读：从文件位置k开始读取n个字节到存储器，而后将k增长到k+n。

写：存储器拷贝从k开始，n结束个字节到一个文件，而后更新k。

• 关闭文件

应用进程请求内核关闭文件，内核释放记录的文件信息，将文件描述符释放回描述符池。

IO模型

咱们想要了解操做系统的IO模型须要先了解几个基本的概念。

• 阻塞：请求不能当即获得应答，须要等待。

• 非阻塞：请求当即获得应答，不须要等待。

• 同步I/O：同步I/O操做引发请求进程阻塞，直到I/O操做完成。

• 异步I/O：异步I/O操做不引发请求进程阻塞。

举个🌰

在🌰中咱们的请求进程化身肥宅，操做系统内核化身外卖老板。

场景是肥宅周末早上在家饿了，想要吃外卖。

下面是肥宅叫外卖不一样的方式。

阻塞：肥宅打了外卖的电话，外卖的老板正在忙，因此把肥宅挂着，肥宅只能等老板忙完才能订外卖。

非阻塞：肥宅打了外卖的电话，无论有没有东西卖给肥宅，外卖老板都当即回复了肥宅。

同步I/O：肥宅打了外卖的电话，外卖老板告诉肥宅外卖何时送到，肥宅须要本身定时打电话问一下外卖到了没。

异步I/O：肥宅打了外卖的电话下了订单，肥宅就去打游戏去了。外卖老板会在指定的时间把外卖送到肥宅家里，并打电话让肥宅来取。

五种I/O模型

了解了阻塞，非阻塞，异步与同步，下面咱们的五种I/O模型都会用到这些概念。

阻塞I/O模型

请求进程发起系统调用后，一直等待内核数据拷贝完成，整个过程请求进程是阻塞的。

非阻塞I/O模型

请求进程发起系统调用后，若是内核没有准备好会返回一个EWOULDBLOCK。而后请求进程会一直轮询内核，直到内核准备好，开始拷贝数据。

I/O复用模型

• select: 多个的进程的IO能够注册到一个复用器（select）上，而后用一个进程调用该select， select会监听全部注册进来的IO。单个进程所能打开的文件描述符最大只能是1024。使用该技术会有C10K并发问题
• poll: 对select的一种优化，基于链表实现，没有了1024的限制，可是对链表的遍历使性能低下。
• epoll: 不须要线性遍历，经过callback进行IO完成后的通知。(因为AIO不成熟，在linux大多使用epoll)
• kqueue: 与epoll相似，存在FreeBSD中。

信号驱动I/O模型

当进程发起一个IO操做，会向内核注册一个信号处理函数，而后进程返回不阻塞；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。

异步I/O模型

当进程发起一个IO操做，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。若是IO操做成功则进程直接获取到数据。

I/O模型的比较

同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO都属于同步IO。

只有异步IO属于异步IO。

linux异步I/O有基于线程池的，但AIO有缺陷（没法利用系统缓存等），使用比较多的是epoll。（AIO是posix标准）

win异步I/O使用比较多的是IOCP。

异步I/O线程池主流的实现是IO线程负责I/O(大部分时间阻塞在I/O上)，线程间经过信号量进行通讯。

异步I/O库

• glibc aio： 缺陷是自带单独的执行线程去执行回调函数，这对使用者来讲很难控制。
• ACE：ACE 过于复杂，甚至比它试图封装的对象更复杂。
• libevent : 名气最大，应用最普遍，历史悠久的跨平台事件库。（缺点：使用全局变量，定时器没法处理时间跳变等设计缺陷。）
• libev : 较libevent而言，设计更简练，性能更好。（缺点：对Windows支持不够好）
• libuv : 开发node的过程当中须要一个跨平台的事件库，他们首选了libev，但又要支持Windows，故从新封装了一套，*nix下早期用libev实现(现已本身实现)，Windows下用IOCP实现；(缺点：没有正确的处理 TCP 关闭，容许空回调,用户不知道出错在哪里)。
• ASIO：在epoll的基础上用iocp的思想垫了一层，而后封装为统一接口（缺点：在linux上会损失一部分效率）。

Libevent、libev、libuv三个网络库，都是c语言实现的异步事件库Asynchronousevent library）。

ASIO在2017年进入了c++标准。

node的异步I/O底层库使用的是libuv。

参考连接

unix网络编程

那些年咱们追过的网络库