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浅析Linux系统I/O模型

文章目录

    • 概述
    • 阻塞式I/O模型
    • 非阻塞式I/O模型
    • I/O多路复用模型
    • 信号驱动式I/O模型
    • 异步I/O模型
    • 相关参考

概述

在操作系统中，I/O类操作是相对慢速的，应用发起一个I/O操作，需要等待I/O资源就绪后，才能继续后面的处理。这种简单的请求-响应的IO模型，很明显是无法满足实际生产环境对高并发、高吞吐的要求，因此，系统通常会提供多种I/O模型，以提高I/O操作的效率。Linux系统中支持5种I/O模型：

  • 阻塞式I/O；
  • 非阻塞式IO；
  • I/O多路复用模型
  • 信号驱动式IO；
  • 异步IO。

POSIX依据I/O操作是否会导致请求进程阻塞，将I/O操作分成同步I/O和异步I/O，其中：

  • 同步I/O操作会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；
  • 异步I/O操作不会导致请求进程阻塞。

阻塞式I/O模型

阻塞式I/O是最基本的I/O模型，POSIX提供的大部分I/O类系统调用接口默认行为都是阻塞式的。以recvfrom操作为例，当应用进程发起recvfrom调用时，如果当前的数据没有就绪，那么调用进程会被阻塞并一直等待数据准备完成。recvfrom成功返回后，应用进程开始处理数据。
浅析Linux系统I/O模型_第1张图片

阻塞式I/O模型会导致应用进程大部分时间都在消耗在等待I/O上，而无法去处理其它事务。为了提升并发能力，早期的应用通常都会采用多进程或者多线程的方式来配合阻塞式I/O模型使用，但多进程和多线程带来的资源开销也很大程度上制约了系统的能力。

非阻塞式I/O模型

通过将套接字设置成非阻塞式，应用进程在执行I/O操作时，如果当前数据尚未就绪，那么调用会直接返回一个错误，在Linux中，这个错误类型通常是EWOULDBLOCK，指示数据还未准备好。应用进程可以不断选择进行重试，直到数据准备完成。
浅析Linux系统I/O模型_第2张图片

非阻塞式I/O模型不会导致应用进程阻塞，但不断重试的方案也会带来很高的CPU开销，因此非阻塞式I/O模型通常都会配合系统的I/O多路复用机制一起使用。

I/O多路复用模型

I/O多路复用是目前网络服务器编程使用最广泛的I/O模型，Reactor编程模型就是基于I/O多路复用进行实现。I/O多路复用提供了一类接口，可以等待多个描述符就绪，这样的好处在于应用进程可以只阻塞在I/O多路复用的接口中，只要监听的描述符中有一个资源准备就绪，应用进程就会被唤醒进行处理。
浅析Linux系统I/O模型_第3张图片

在Linux系统中，提供了三类I/O多路复用接口，分别为select、poll以及epoll，其中select/poll在监听的描述符较少的场景下使用；对于高并发应用，通常会使用epoll机制。

信号驱动式I/O模型

信号驱动式I/O模型在实际使用中并不多见，它通过让Linux内核在描述符就绪时发送SIGIO信号，通知应用进程可以执行I/O操作获取数据，从而避免了无谓的等待。
浅析Linux系统I/O模型_第4张图片

异步I/O模型

异步I/O在POSIX的语义中被定义为是真正的异步I/O操作类型，与前面四种I/O模型相比，异步I/O接口不需要等待数据就绪，甚至连数据读取的动作都不需要进行。异步I/O接口只是简单地提交一个I/O请求，后续所有事情都交给内核进行处理，内核会执行实际的I/O操作，并将数据从内核复制到应用的缓冲区，完成后通知应用进程进行数据处理。
浅析Linux系统I/O模型_第5张图片

异步I/O模型与信号驱动式I/O的主要区别在于：信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知我们I/O操作何时完成。Linux系统最早提供的异步I/O接口主要是aio系列函数，在5.1内核版本，又引入了新的高性能异步I/O框架io_uring。

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  • 《Unix网络编程》

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