最近一直在研究Linux IO模型，Linux IO模型是一個挺復雜的概念，分析Linux IO模型一定要注意方法，否則會在一個個概念中，迷失自我。

1.IO模型簡介

Linux IO模型是指Linux操作系統(tǒng)中用于實現輸入輸出的一種機制。

Linux IO模型主要分為五種：

阻塞IO、非阻塞IO、IO復用、信號驅動IO和異步IO。

• 阻塞IO是最常見的IO模型，當用戶進程發(fā)起一個IO請求后，內核會一直等待，直到IO操作完成并返回結果。在此期間，用戶進程會被阻塞，無法進行其他操作。
• 非阻塞IO是在阻塞IO的基礎上進行改進的一種IO模型。當用戶進程發(fā)起一個IO請求后，內核會立即返回一個錯誤碼，表示IO操作還未完成。用戶進程可以繼續(xù)進行其他操作，隨后再通過輪詢的方式來查詢IO操作是否完成。
• IO復用是指通過select、poll、epoll等系統(tǒng)調用來監(jiān)聽多個文件描述符的IO事件。當某個文件描述符就緒時，內核會通知用戶進程進行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，IO復用可以同時監(jiān)聽多個文件描述符，提高了IO效率。
• 信號驅動IO是指用戶進程通過signal或sigaction系統(tǒng)調用來注冊一個信號處理函數，當IO操作完成時，內核會向用戶進程發(fā)送一個SIGIO信號，用戶進程在信號處理函數中進行IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IO，信號驅動IO可以避免用戶進程被阻塞，提高了IO效率。
• 異步IO是指當用戶進程發(fā)起一個IO請求后，內核會立即返回，表示IO操作已經開始。當IO操作完成后，內核會通知用戶進程，用戶進程在此時才進行IO操作。相比于其他IO模型，異步IO可以避免用戶進程被阻塞，提高了IO效率。

2.五種IO模型

2.1 IO模型分析方法

分析IO模型需要了解2個問題：

問題1：發(fā)送IO請求，IO請求可以理解為用戶空間和內核空間數據同步，根據發(fā)起者不同分為以下兩種情況：

• 由用戶程序發(fā)起（同步IO）。
• 由內核發(fā)起（異步IO）。

問題2：等待數據到來，等待數據到來的方式有以下幾種：

• 阻塞（阻塞IO）。
• 輪詢（非阻塞IO）。
• 信號通知（信號驅動IO）。

（內核空間和用戶空間數據同步由誰發(fā)起是分析Linux IO模型最核心問題）

2.2 阻塞IO

阻塞IO/階段1

• 用戶程序調用recv函數發(fā)起IO請求（同步IO），讀取socket緩沖區(qū)數據。
• 由于socket緩沖區(qū)沒有就緒數據包，進程狀態(tài)將從TASK_RUNNING切換至TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)，并通過進程調度完成進程阻塞。
• 同時進程也會加入到socket等待隊列，等待數據到來回被喚醒。

注意：阻塞IO并不是阻塞CPU，而是進行進程狀態(tài)切換出讓CPU。

阻塞IO/階段2

• 網卡收到數據包后，通過DMA機制將數據包拷貝到內核空間RingBuffer，并通過中斷機制將數據包拷貝至socket接收緩沖區(qū).
• socket接收到數據包喚醒等待隊列休眠進程，進程被喚醒后繼續(xù)完成用戶空間和內核空間數據同步，recv函數成功返回。

2.3 非阻塞IO

阻塞IO/階段1

• 用戶程序調用recv函數發(fā)起IO請求，讀取socket緩沖區(qū)數據。
• 由于socket緩沖區(qū)沒有就緒數據包，非阻塞IO recv直接返回EWOULDBLOCK錯誤碼，用戶如果一直調用recv函數則一直返回EWOULDBLOCK錯誤碼，直到數據準備好。

非阻塞IO/階段2

非阻塞IO和阻塞IO階段2相同。

2.4 IO復用

IO復用簡介

IO復用是一種高效的IO處理方式，它可以讓一個進程同時監(jiān)視多個文件描述符，當其中任意一個文件描述符就緒時，就可以進行相應的IO操作。

相比于傳統(tǒng)的阻塞IO和非阻塞IO，IO復用可以大大提高IO效率，減少CPU資源的浪費。

在Linux中，常用的IO復用模型有select、poll、epoll等。

IO復用模型IO請求由用戶程序發(fā)起，所以IO復用模型為同步IO。

2.4.1 IO復用select模型

select模型通過位圖實現IO復用，將socket注冊到讀，寫，或異常位圖，通過select系統(tǒng)調用輪詢位圖，獲取socket事件，成功獲取到socket事件后，select成功返回，此時可以通過接收函數讀取socket緩沖區(qū)數據。

2.4.2 IO復用poll模型

poll模型和select非常相似，主要區(qū)別為poll模型把位圖改成鏈表，poll通過鏈表實現IO復用，將socket注冊poll_list鏈表，通過poll系統(tǒng)調用輪詢鏈表，獲取socket事件，成功獲取到socket事件后，poll成功返回，此時可以通過接收函數讀取socket緩沖區(qū)數據。

2.4.3 IO復用epoll模型

epoll模式采用回調方式獲取就緒socket事件，相比于select和poll模型的輪詢方式效率更高，通過epoll_ctl系統(tǒng)調用注冊socket事件至紅黑樹，當socket接收到數據后通過回調函數將socket事件添加至就緒隊列，調用epoll_wait查詢就緒隊列就能獲取到socket事件。

2.5 信號驅動IO

信號驅動IO是基于SIGIO信號實現。

信號驅動IO主要由三個步驟組成：

• 步驟1：用戶程序注冊SIGIO處理函數。
• 步驟2：內核收到數據后，發(fā)送SIGO信號，執(zhí)行SIGO信號處理函數。
• 步驟3：用戶程序調用recv函數發(fā)起IO請求，完成用戶空間和內核空間數據同步。

信號驅動IO是由用戶程序發(fā)起IO請求，所以信號驅動IO屬于同步IO。

2.6 異步IO

異步IO實現的方式有很多種，上圖以POISX aio為例講解異步IO。

分析異步IO我們得抓住本質，異步IO的IO請求由內核發(fā)起，只要滿足這一個點就是異步IO，不管是阻塞或者輪詢，或者信號通知，都不影響異步IO這個性質。

3.IO模型常見問題？

問題1：阻塞IO和非阻塞IO區(qū)別？

a.阻塞IO

阻塞IO在沒有數據包時，會通過阻塞進程等待數據到來，阻塞進程方法為：

• 設置進程狀態(tài)為TASK_INTERRUPTIBLE。
• 通過進程調度切換進程，實現進程阻塞。

進程阻塞期間不會占用CPU資源。

b.非阻塞IO

非阻塞IO在沒有數據包時，通過輪詢方式等待數據包到來，沒有數據包到來，調用接收函數會立即返回EWOULDBLOCK錯誤碼，一直調用接收函數，一直返回EWOULDBLOCK錯誤碼。

非阻塞方式采用輪詢方式會一直占用CPU資源。

問題2：同步IO和異步IO區(qū)別？

區(qū)別同步IO和異步IO方法很簡單，就是用戶空間和內核空間數據同步由誰發(fā)起。

• 由用戶程序發(fā)起則是同步IO。
• 由內核發(fā)起則是異步IO。

問題3：信號驅動IO和異步IO區(qū)別？

信號驅動IO和異步IO雖然實現流程有很多相似的地方，比如：注冊信號處理函數，發(fā)送通知信號，不會阻塞進程等。

信號驅動IO和異步IO有以下幾點區(qū)別：

• 信號驅動IO屬于同步IO。
• 信號驅動IO發(fā)送信號通知用戶程序發(fā)起IO請求。
• 異步IO發(fā)送信號通知用戶程序IO請求已由內核發(fā)起并完成。

問題4：非阻塞IO是不是異步IO？

很多同學經常把非阻塞IO和異步IO關聯在一起，其實這個是很錯誤的一個想法，同步IO和異步IO都可能會阻塞進程，同步IO和異步IO本質區(qū)別為用戶空間和內核空間數據同步由誰發(fā)起。

非阻塞IO的IO請求由用戶程序發(fā)起，屬于同步IO。

總結

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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