Unix网络编程读书笔记-Unix下5种基本I/O模型

Unix下分5种基本的I/O模型：

1.阻塞I/O
2.非阻塞I/O
3.I/O复用（select和poll）
4.信号驱动I/O（SIGIO）
5.异步I/O（POSIX.1的aio_系列函数）

Unix中一个输入操作一般有两个不同的阶段：
1.等待数据准备好。
2.从内核到进程拷贝数据。
对于一个sockt上的输入操作，第一步一般是等待数据到达网络，当分组到达时，它被拷贝到内核中的某个缓冲区，第二步是将数据从内核缓冲区拷贝到应用程序缓冲区。

    下面分别介绍上面提到的5类I/O模型

本文中我们用UDP来进行举例，并且我们将函数recvfrom视为系统调用,这样让我们的注意力都集中在I/O模型上。

阻塞I/O模型
   
    最流行的I/O模型是阻塞I/O模型，缺省时，所有sockt都是阻塞的,这意味着当一个sockt调用不能立即完成时，进程进入睡眠状态，等待操作完成。如图:

 

图1 阻塞I/O模型

    在图1中，进程调用recvfrom,此调用直到数据报到达且拷贝到应用缓冲区或是出错才返回。最常见的错误是系统调用被信号中断，我们所说进程阻塞的整段时间是指从调用recvfrom开始到它返回的这段时间，当进程返回成功指示时，应用进程开始处理数据报。

    下面是一个采用阻塞I/O模型编写的简单服务器端代码（本代码来至于Unix网络编程）,这段代码的功能是把客户端发来的数据再回射到客户端,本例子中进程阻塞于recvfrom.

#include     "unp.h" 

void   dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen);

int
main(int argc, char **argv)
 {
     int     sockfd;
     struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
     sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
     bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
     servaddr.sin_family = AF_INET;
     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
     servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
     Bind(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));
     dg_echo(sockfd, (SA *) &cliaddr, sizeof(cliaddr));
 }

void   dg_echo(int sockfd, SA *pcliaddr, socklen_t clilen)
  {
      int     n;
      socklen_t len;
      char    mesg[MAXLINE];
      for ( ; ; ) {
         len = clilen;
         n = Recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
         Sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
     }
 }

非阻塞I/O模型 
      
   当我们把一个sockt设置成非阻塞放式时，即通知内核：当请求的I/O操作非得让进程睡眠才能完成时，不要让进程睡眠，而应该返回一个错误。如图:

 

图2 非阻塞I/O模型

    如图2所示，前3次调用recvfrom时仍无数据返回，因此内核立即返回一个EWOULDBLOCK错误。第4次调用recvfrom时，数据报已经准备好了，被拷贝到应用缓冲区，recvfrom返回成功指示，接着就是我们处理数据报。
    当一个应用进程像这样对一个非阻塞sockt循环调用recvfrom时，我们称此过程为轮询（polling）.应用进程连续不断的查询内核，看看某操作是否准备好,这对CPU是极大的浪费，但这种模型只是偶尔才遇到。

I/O复用模型

    I/O复用能让一个或多个I/O条件满足（例如，输入已经准备好被读，或者描述字可以承接更多的输出）时，我们就被通知到。I/O复用由select和poll支持，较新的Posix.1g也支持(pselect)。
I/O复用典型地用在下列网络应用场合：
    1.当客户处理多个描述字时，必须使用。
    2.一个客户同时处理多个sockt.
    3.如果一个服务器既要处理监听sockt,又要处理连接sockt,一般也用到。
    4.如果一个服务器既要处理TCP,又要处理UDP,一般也用到。
    5.如果一个服务器要处理多个服务或多个协议（例如inetd守护进程），一般也用到。

    I/O复用并非限于网络编程，许多正是应用程序也需要使用这项技术。

    有了I/O复用，我们就可以调用select或poll，在这两个系统调用中的某一个上阻塞，而不阻塞于真正的I/O系统调用。图3是I/O复用模型的一个小结。

图3 I/O复用模型

    我们阻塞于select调用，等待数据报socket可读,当select返回socket可读条件时，我们调用recvfrom将数据报拷贝到应用缓存区中。
    将图3与图1比较，似乎没有显示什么优越性，实际上因使用了select,要求2此系统调用而不是一次，好像变的还有点差，但是select的好处在于我们可以等待多个描述字准备好。

信号驱动 I/O模型

   

    信号驱动 I/O模型能在描述字准备好时用信号SIGIO通知我们，下图给出例子：

图4 信号驱动 I/O模型

    首先我们允许sockt进行信号驱动 I/O，并通过系统调用sigaction安装一个信号处理程序。此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的。当数据报准备好被读时，就为该进程生成个SIGIO信号。我们随即可以在信号处理程序中调用recvfrom来读取数据报，并通知主循环数据已准备好被处理，也可以通知主循环，让它来处理数据报。

    无论我们如何处理SIGIO信号，这种模型的好处是当等待数据报到达时，可以不阻塞。主循环可以继续执行，只是等待信号处理程序的通知：或者数据报已准备好被处理，或者数据报已准备好被读取。

异步I/O模型

    异步I/O模型是Posix.1的1993版本中的新内容。我们让内核启动操作，并在整个操作完成后（包括将数据报从内核拷贝到我们自己的缓冲区）通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动I/O是有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。图5给出了一个例子。

 

 

图5 异步I/O模型

    我们调用aio_red(Posix异步I/O函数以aio_或lio_开头)，给内核传递描述字、缓冲区指针、缓冲区大小（与red相同的3个参数）、文件偏移（与lseek类似），并高书内核当整个操作完成时如何通知我们。此系统调用立即返回，我们的进程不阻塞于等待I/O操作的完成。在此例子中，我们假设要求内核在操作完成时产生一个信号，此信号直到数据已拷贝到应用程序缓冲区才产生，这一点是于信号驱动I/O模型不同的。

各种I/O模型的比较

图6 各类I/O模型的比较

    图6给出了上述5中I/O模型的比较。它表明：前4种模型的区别都在第1阶段，因为前4种模型的第2阶段基本相同：在数据从内核拷贝到调用者的缓冲区时，进程阻塞于recvfrom调用。然而异步I/O处理的两个阶段都不同于前4个模型。
   
    同步I/O与异步I/O

    Posix.1定义这两个术语如下：

    1.同步I/O操作引起请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

    2.异步 I/O操作不引起请求进程阻塞。

    根据上述定义，我们的前四个I/O模型都是同步I/O模型，因为真正的I/O操作（recvfrom）阻塞进程，只有异步I/O模型与异步I/O的定义相符合。

原文地址：http://blog.chinaunix.net/u1/42528/showart_330523.html