IO模式

1、用户空间和内存空间

　　为了不让用户线程直接操作内核，保护内核的安全，操作系统将虚拟空间分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。

针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，

称为用户空间。

 

2、直接IO和缓存IO

　　缓存IO又被称作标准IO，大多数的文件操作系统中用的都是缓存IO，以Linux系统中的一次write操作为例，数据先拷贝到进程的缓冲区，再copy到内核空间的缓存区，最后再从缓存区写到存储设备。

而直接IO不会经历内核空间的缓存区，直接写入存储设备。

　　

 

 

 

3、IO模式

 　　以linux中一次read操作来说，数据先被拷贝进内核缓存区，然后拷贝到进程内存两个阶段。

　　所以说一次read操作会经历如下两个阶段：

　　　　1、等待阶段：数据准备阶段（磁盘到内核缓存区，客户端请求数据，数据不可能一下子准备好，这是需要一个过程）（当IO请求一个资源时，当资源被上一个使用者使用没有被释放时，IO请求会被阻塞，直到能够使用这个资源）

　　　　2、操作阶段：数据从内核缓存区到进程中

　　由上边两个阶段，linux系统产生了下面五种网络模式的方案：

　　　　　-- 阻塞 I/O（blocking IO）

　　　　　-- 非阻塞 I/O（nonblocking IO）

　　　　   -- I/O 多路复用（ IO multiplexing）

　　　　   -- 信号驱动 I/O（ signal driven IO）

　　　　   -- 异步 I/O（asynchronous IO）

 

　　

　　1、阻塞IO和非阻塞IO
　　发生在等待资源阶段。
　　a.阻塞IO：资源不可用时，IO请求一直堵塞，知道有反馈结果（有数据或者请求超时）
　　b.非阻塞IO：资源不可用时，IO请求返回 资源不可用标识

　　2.异步IO和同步IO
　　发生在使用资源阶段。
　　a,同步IO：应用阻塞在发送或接收数据的状态，直到数据成功传输或返回失败。
　　b.异步IO:当发起IO请求后，当前线程可以去做其他的事情，当数据处理完毕后返回信息

 

　　1）阻塞IO

　　

 

　　　　

 

　　 read为例：

　　（1）进程发起read，进行recvfrom系统调用；

　　（2）内核开始第一阶段，准备数据（从磁盘拷贝到缓冲区），进程请求的数据并不是一下就能准备好；准备数据是要消耗时间的；

　　（3）与此同时，进程阻塞（进程是自己选择阻塞与否），等待数据ing；

　　（4）直到数据从内核拷贝到了用户空间，内核返回结果，进程解除阻塞。

　　也就是说，内核准备数据和数据从内核拷贝到进程内存地址这两个过程都是阻塞的。　

 

　　2、非阻塞IO　　

　　

 

 　　　　（1）当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好；　　

　　　　（2）那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error，从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果；

　　　　（3）用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call；

　　　　（4）那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

　　所以，nonblocking IO的特点是用户进程在内核准备数据的阶段需要不断的主动询问数据好了没有。

　注意非阻塞IO只是说内核准备数据的时候是非阻塞的，但是当数据从内核拷到缓存空间还是阻塞的

 

　　　3、IO多路复用

　　　IO多路复用即用select, poll, epoll监听多个io对象，当IO对象有数据变化时，就会通知用户进程。好处是一个进程可以处理多个socket.

 

  　(1)当用户进程调用select,这个进程会被block,同时会监听所有socket

　（2）当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回；

　（3）这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

　　所以，I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。

　　这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

　　所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用多线程 + 阻塞 IO的web server性能更好，可能延迟还更大。

　　select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

 

　　4、异步IO

　　

 

 

　　（1）用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事

　　（2）而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。

　　（3）然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。