Linux I/O 模型（待修改）

最近看到“服务器并发处理能力”章节，被里面的“I/O模型“搞得有点头晕，所以这里希望通过概念的辨析和对比，能更好的理解Linux的 I/O模型。

同步（synchronous） IO和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分别是什么，到底有什么区别？

比较常用的IO Model有以下4种： blocking IO、nonblocking IO、IO multiplexing、asynchronous IO
由于signal driven IO在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种IO Model。

1、blocking IO

用户进程进行I/O操作，一直阻塞到I/O操作完成为止。

示例代码

while ( (n=read(STDIN_FILENO, buf, BUFSIZ) ) > 0)
  if (write (STDOUT_FILENO, buf, n) != n)
    err_sys (write error ”) ;

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，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。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），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。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，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。
所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

2、non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

//nbtest.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

char buffer[4096];

int main(int argc, char **argv)
{
    int delay = 1, n, m = 0;

    if (argc > 1)
        delay=atoi(argv[1]);
    fcntl(0, F_SETFL, fcntl(0,F_GETFL) | O_NONBLOCK); /* stdin */
    fcntl(1, F_SETFL, fcntl(1,F_GETFL) | O_NONBLOCK); /* stdout */

    while (1) {
        n = read(0, buffer, 4096);
        if (n >= 0)
            m = write(1, buffer, n);
        if ((n < 0 || m < 0) && (errno != EAGAIN))
            break;
        sleep(delay);
    }
    perror(n < 0 ? "stdin" : "stdout");
    exit(1);
}

我们用strace来跟踪一下程序执行的结果：

out.txt的内容如下：

可以清楚的看到read读取失败的情况。实际上，该方式需要应用程序以一种轮询的方式来实现数据读取，多次无谓的系统调用会加大系统开销，影响应整个系统的吞吐量。

3、IO multiplexing

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，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。它的流程如图：

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。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。

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。（多说一句。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multi-threading + blocking 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。）
在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/poll.h>
#include <fcntl.h>

char buffer[4096];

int main(int argc, char **argv)
{
    struct pollfd pfd;
    int n;

    fcntl(0, F_SETFL, fcntl(0,F_GETFL) | O_NONBLOCK); /* stdin */
    pfd.fd = 0;  /* stdin */
    pfd.events = POLLIN;

    while (1) {
        n=read(0, buffer, 4096);
        if (n >= 0)
            write(1, buffer, n);
    n = poll(&pfd, 1, -1);
    if (n < 0)
        break;
    }
    perror( n<0 ? "stdin" : "stdout");
    exit(1);
}

我们用strace来跟踪一下程序执行的结果：

out.txt文件：

该方式中，select(或poll)的调用仍然会阻塞进程，与一般典型的I/O不一样的它是等待事件通知。但是它引入了超时机制，可以让应用程序有权力避免过长时间等待；另一方面，如果应用程序需要读写多个文件，该方式可以一显身手。典型的应用就是telnet命令(详细见《UNIX环境高级编程》)。

4、Asynchronous I/O

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。

到目前为止，已经将四个IO Model都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题：blocking和non-blocking的区别在哪，synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。

先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。Stevens给出的定义（其实是POSIX的定义）是这样子的：

    A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
    An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked; 

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

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。

最后，再举几个不是很恰当的例子来说明这四个IO Model:
有A，B，C，D四个人在钓鱼：
A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；
B的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；
C用的鱼竿和B差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；
D是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给D发个短信。