IO与操作系统关系(一)

1.liunx的内核态和用户态

         1.1).用户空间与内核空间

          liunx操心系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核,保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,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。每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux内核由系统内的所有进程共享

。空间分配如下图所示:

IO与操作系统关系(一)_第1张图片

  有了用户空间和内核空间,整个linux内部结构可以分为三部分,从最底层到最上层依次是:硬件-->内核空间-->用户空间。如下图所示:

IO与操作系统关系(一)_第2张图片

 

 1.2.需要注意的细节问题:

     1.2.1) 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间,它们都处于虚拟空间中。 

     1.2.2) Linux使用两级保护机制:0级供内核使用,3级供用户程序使用。

   1.2.3) 内核态与用户态:

       1.当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,称进程处于内核运行态(内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

      2.当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。 

        

     1.3) 进程上下文和中断上下文

       当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。当内核需要切换到另一个进程时,它需要保存当前进程的所有状态,即保存当前进程的上下文,以便在再次执行该进程时,能够必得到切换时的状态执行下去。在LINUX中,当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中,在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源,以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

 

2.  IO分类

详细参考这篇博客: IO - 同步,异步,阻塞,非阻塞

 

2.1 阻塞blocking和非阻塞non-blocking IO,同步synchronous IO和异步asynchronous IO的区别在哪?

    下面先说明一下四种io:(前3种属于同步IO,第4种属于异步IO,同步与异步IO最大区别在于进程是否会block)

     blocking IO        阻塞IO 

     nonblocking IO   非阻塞IO
     IO multiplexing    非阻塞多路复用IO
     asynchronous IO 异步IO

    对于一个network IO 会经历两个阶段,一个是调用这个IO的process (or thread),另一个就是系统内核(kernel):1 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready) 2.将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

2.2 blocking IO 阻塞IO 
在linux中,默认情况下所有的socket都是blocking,一个典型的读操作流程大概是这样:

1.当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据。(用户态切换到内核态-准备数据)

2.对于network io来说,很多时候数据在一开始还没有到达,这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞。(用户态-阻塞,内核态-准备数据中)

3.当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果(用户态-阻塞,内核态-拷贝数据到用户进程)

4.用户进程才解除block的状态,重新运行起来。(用户态-解除阻塞,内核态-数据返回完毕)
特点:blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了

 

2.3 non-blocking IO 非阻塞IO

linux下,可以通过设置socket使其变为non-blocking。java代码中修改如下:

服务端:

// 获得一个ServerSocket通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);

 客户端:

// 获得一个Socket通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
channel.configureBlocking(false);

 详细流程如下:

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,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error。(用户态 不阻塞------内核态-准备数据中)

2.从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是用户进程马上获取结果,如果结果是error,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。(用户态 不阻塞-------内核态-准备数据中)

3.一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。(用户态 进入阻塞-----内核态-拷贝数据回进程)
特点:用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

 

2.4 IO multiplexing 多路复用IO

IO multiplexing使用select,epoll机制,select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程(通过listener监听)。它的流程如图:

1.当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。(用户态-阻塞,内核态-准备数据中并通知)

2.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。(用户态-阻塞,内核态-拷贝数据会用户进程)

特点: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

 

2.5 Asynchronous I/O 异步IO

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程:

用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。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。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。

 

2.6 各个IO Model的比较如图所示:

经过上面的介绍,会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中,虽然进程大部分时间都不会被block,但是它仍然要求进程去主动的check,并且当数据准备完成以后,也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人(kernel)完成,然后他人做完后发信号通知。在此期间,用户进程不需要去检查IO操作的状态,也不需要主动的去拷贝数据。

 

 

 

   

 

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