Linux五种IO模型

前言：

最近一直在研究Linux IO模型，Linux IO模型是一个挺复杂的概念，分析Linux IO模型一定要注意方法，否则会在一个个概念中，迷失自我。

1.IO模型简介

Linux IO模型是指Linux操作系统中用于实现输入输出的一种机制。Linux IO模型主要分为五种：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO。

• 阻塞IO是最常见的IO模型，当用户进程发起一个IO请求后，内核会一直等待，直到IO操作完成并返回结果。在此期间，用户进程会被阻塞，无法进行其他操作。

• 非阻塞IO是在阻塞IO的基础上进行改进的一种IO模型。当用户进程发起一个IO请求后，内核会立即返回一个错误码，表示IO操作还未完成。用户进程可以继续进行其他操作，随后再通过轮询的方式来查询IO操作是否完成。

• IO复用是指通过select、poll、epoll等系统调用来监听多个文件描述符的IO事件。当某个文件描述符就绪时，内核会通知用户进程进行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，IO复用可以同时监听多个文件描述符，提高了IO效率。

• 信号驱动IO是指用户进程通过signal或sigaction系统调用来注册一个信号处理函数，当IO操作完成时，内核会向用户进程发送一个SIGIO信号，用户进程在信号处理函数中进行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，信号驱动IO可以避免用户进程被阻塞，提高了IO效率。

• 异步IO是指当用户进程发起一个IO请求后，内核会立即返回，表示IO操作已经开始。当IO操作完成后，内核会通知用户进程，用户进程在此时才进行IO操作。相比于其他IO模型，异步IO可以避免用户进程被阻塞，提高了IO效率。

2.五种IO模型

2.1 IO模型分析方法

分析IO模型需要了解2个问题：

问题1：发送IO请求，IO请求可以理解为用户空间和内核空间数据同步，根据发起者不同分为以下两种情况：

• 由用户程序发起（同步IO）。

• 由内核发起（异步IO）。

问题2：等待数据到来，等待数据到来的方式有以下几种：

• 阻塞（阻塞IO）。

• 轮询（非阻塞IO）。

• 信号通知（信号驱动IO）。

（内核空间和用户空间数据同步由谁发起是分析Linux IO模型最核心问题）

2.2 阻塞IO

阻塞IO/阶段1

• 用户程序调用recv函数发起IO请求（同步IO），读取socket缓冲区数据。

• 由于socket缓冲区没有就绪数据包，进程状态将从TASK_RUNNING切换至TASK_INTERRUPTIBLE状态，并通过进程调度完成进程阻塞。

• 同时进程也会加入到socket等待队列，等待数据到来回被唤醒。

注意：阻塞IO并不是阻塞CPU，而是进行进程状态切换出让CPU。

阻塞IO/阶段2

• 网卡收到数据包后，通过DMA机制将数据包拷贝到内核空间RingBuffer，并通过中断机制将数据包拷贝至socket接收缓冲区.

• socket接收到数据包唤醒等待队列休眠进程，进程被唤醒后继续完成用户空间和内核空间数据同步，recv函数成功返回。

2.3 非阻塞IO

阻塞IO/阶段1

• 用户程序调用recv函数发起IO请求，读取socket缓冲区数据。

• 由于socket缓冲区没有就绪数据包，非阻塞IO recv直接返回EWOULDBLOCK错误码，用户如果一直调用recv函数则一直返回EWOULDBLOCK错误码，直到数据准备好。

非阻塞IO/阶段2

非阻塞IO和阻塞IO阶段2相同。

2.4 IO复用

IO复用简介

IO复用是一种高效的IO处理方式，它可以让一个进程同时监视多个文件描述符，当其中任意一个文件描述符就绪时，就可以进行相应的IO操作。

相比于传统的阻塞IO和非阻塞IO，IO复用可以大大提高IO效率，减少CPU资源的浪费。

在Linux中，常用的IO复用模型有select、poll、epoll等。

IO复用模型IO请求由用户程序发起，所以IO复用模型为同步IO。

2.4.1 IO复用select模型

select模型通过位图实现IO复用，将socket注册到读，写，或异常位图，通过select系统调用轮询位图，获取socket事件，成功获取到socket事件后，select成功返回，此时可以通过接收函数读取socket缓冲区数据。

2.4.2 IO复用poll模型

poll模型和select非常相似，主要区别为poll模型把位图改成链表，poll通过链表实现IO复用，将socket注册poll_list链表，通过poll系统调用轮询链表，获取socket事件，成功获取到socket事件后，poll成功返回，此时可以通过接收函数读取socket缓冲区数据。

2.4.3 IO复用epoll模型

epoll模式采用回调方式获取就绪socket事件，相比于select和poll模型的轮询方式效率更高，通过epoll_ctl系统调用注册socket事件至红黑树，当socket接收到数据后通过回调函数将socket事件添加至就绪队列，调用epoll_wait查询就绪队列就能获取到socket事件。

2.5 信号驱动IO

信号驱动IO是基于SIGIO信号实现。

信号驱动IO主要由三个步骤组成：

• 步骤1：用户程序注册SIGIO处理函数。

• 步骤2：内核收到数据后，发送SIGO信号，执行SIGO信号处理函数。

• 步骤3：用户程序调用recv函数发起IO请求，完成用户空间和内核空间数据同步。

信号驱动IO是由用户程序发起IO请求，所以信号驱动IO属于同步IO。

2.6 异步IO

异步IO实现的方式有很多种，上图以POISX aio为例讲解异步IO。

分析异步IO我们得抓住本质，异步IO的IO请求由内核发起，只要满足这一个点就是异步IO，不管是阻塞或者轮询，或者信号通知，都不影响异步IO这个性质。

3.IO模型常见问题？

问题1：阻塞IO和非阻塞IO区别？

a.阻塞IO

阻塞IO在没有数据包时，会通过阻塞进程等待数据到来，阻塞进程方法为：

• 设置进程状态为TASK_INTERRUPTIBLE。

• 通过进程调度切换进程，实现进程阻塞。

进程阻塞期间不会占用CPU资源。

b.非阻塞IO

非阻塞IO在没有数据包时，通过轮询方式等待数据包到来，没有数据包到来，调用接收函数会立即返回EWOULDBLOCK错误码，一直调用接收函数，一直返回EWOULDBLOCK错误码。

非阻塞方式采用轮询方式会一直占用CPU资源。

问题2：同步IO和异步IO区别？

区别同步IO和异步IO方法很简单，就是用户空间和内核空间数据同步由谁发起。

• 由用户程序发起则是同步IO。

• 由内核发起则是异步IO。

问题3：信号驱动IO和异步IO区别？

信号驱动IO和异步IO虽然实现流程有很多相似的地方，比如：注册信号处理函数，发送通知信号，不会阻塞进程等。

信号驱动IO和异步IO有以下几点区别：

• 信号驱动IO属于同步IO。

• 信号驱动IO发送信号通知用户程序发起IO请求。

• 异步IO发送信号通知用户程序IO请求已由内核发起并完成。

问题4：非阻塞IO是不是异步IO？

很多同学经常把非阻塞IO和异步IO关联在一起，其实这个是很错误的一个想法，同步IO和异步IO都可能会阻塞进程，同步IO和异步IO本质区别为用户空间和内核空间数据同步由谁发起。

非阻塞IO的IO请求由用户程序发起，属于同步IO。