五种常见的IO模型

news2024/7/11 11:29:30

一. IO的概述

1.1 什么是IO

1.2 IO的效率问题

1.3 同步IO和异步IO的概念

二. 阻塞式IO

三. 非阻塞式IO

四. 信号驱动式IO

五. IO多路复用

六. 异步IO

七. 总结

一. IO的概述

1.1 什么是IO

IO，表示输入输出，即：InPut / OutPut，访问外部设备读取数据或者向外部设备写数据。常见的文件读写操作、网络通信操作，其实都是IO的过程。、

在Linux操作系统下，我们认为一切皆是文件，只有操作系统有权利对文件进行读和写的操作，用户如果要读写文件，本质上都是使用操作系统的文件读写接口来实现的。

这里以阻塞式读取为例，分析IO操作所进行的工作：

当read/recv时，如果缓冲区中没有数据，那就阻塞式等待数据就绪 -- 等待。
当read/recv时，如果缓冲区中有数据，那么就将数据从缓冲区拷贝到应用层 -- 拷贝。

因此，我们可以认为，IO = 等待 + 拷贝。只要执行流（进程/线程）参与了等待和拷贝其中之一，那么就认为这个执行流进行了IO操作。

图1.1展示了在进行文件写文件操作(input)时系统所进行的工作，可分为三步：

将文件的内容和属性信息加载到内存中去。
CPU在内存中对文件内容进行修改。
将内存中被修改后的文件内容写回到内存中。

1.2 IO的效率问题

由于IO要从外设读取数据或者向外设写数据，而在计算机体系中，硬件的效率由高到低的排序是：CPU寄存器 > 高速缓存 > 内存 > 磁盘 > 网卡，对于任意的IO操作，其实大部分时间都是在等待外设数据就绪，因此效率十分低下。

结论：由于IO操作消耗大量时间在等待数据就绪，因此IO的效率很低。

在互联网行业中，提高IO效率是备受关注的，结合上面的分析，高效IO和低效IO的特点为：

低效IO：单位时间内，等待时间长，拷贝数据时间短。
高效IO：单位时间内，拷贝数据时间长，等待数据时间短。

因此，设法降低等待时间的占比，是提高IO效率的关键所在。

1.3 同步IO和异步IO的概念

在了解同步IO和异步IO之前，首先了解同步和异步的概念：

同步：就是指一个调用发出后不直接返回，直到调用完成拿到结果才返回。即：发起调用的执行流（进程/线程）自身来执行调用，在调用完成时由其自身拿到结果。
异步：就是指一个调用发出后马上返回，暂时先不获取调用结果。即：调用者发起调用后，其自身不执行调用的方法，而是继续执行自己本身的方法，由被调用者执行调用的方法，当被调用者执行结束后，将结果反馈给调用者。

推而广之，我们这样这样理解同步IO和异步IO：

同步IO：发起IO的执行流，其本身会参与到IO的工作，即拷贝数据或等待数据就绪，并且由这个执行流本身获取到IO的结果，这种IO操作称之为同步IO。
异步IO：发起IO的执行流本身不参与IO工作，而是有另外一个执行流来进行IO操作，发起IO的线程只需要等待进行IO的执行流反馈回结果即可。

二. 阻塞式IO

阻塞式IO，就是当进行读数据或写数据时，如果外设条件没有就绪，就阻塞式的等待条件就绪。如：在read/recv时，如果缓冲区中没有数据，该进程/线程就自动被添加到特定的等待队列中去等待缓冲区中被写入数据，在等待的过程中，进程/线程不执行其它的工作。

所有的IO操作，默认都是阻塞式的，非阻塞IO需要人为进行设置。

三. 非阻塞式IO

如果一个进程/线程在进行IO操作时，数据尚未就绪，那么读取接口不会阻塞，先返回执行其他的工作，数据就绪才进行读取。

非阻塞式IO，一般采用轮询检查的方法进行IO操作，即：通过循环，不断检查IO资源是否已经就绪，就绪就读取，不就绪就执行其他的工作。

IO操作默认是阻塞式的，有两种方法可以实现非阻塞式IO：

在使用open打开文件/调用socket接口获得fd时，传入O_NONBLOCK/SOCK_NONBLOCK作为参数，实现非阻塞式IO。
通过调用fcntl函数，对指定的fd设置非阻塞式IO。

这里重点介绍如图通过调用fcntl函数来设置非阻塞式的IO。

fcntl函数 -- 对特定fd设置非阻塞IO

函数原型：int fcntl(int fd, int cmd, .../*args*/)

函数参数：

fd：进行操作的文件描述符。
cmd：F_GETFL -- 获取文件状态、F_SETFL -- 设置文件状态
缺省参数：当cmd为F_SETFL时，传入O_NONBLOCK可以设置非阻塞。

返回值：当cmd为F_SETFL时，返回当前的文件状态，当cmd为F_SETFL时，应当返回0，如果函数调用失败，则返回-1。

代码3.1通过提供SetNonBlock接口，对标准输入（fd = 0）进行非阻塞式读取，在SetNonBlock内部调用fcntl函数将指定的fd设置为非阻塞。但在使用read进行非阻塞读取时，有以下几点问题需要注意：

如果调用read时底层资源尚未就绪而产生非阻塞，那么read会以读取出错的形式返回。
read如果出错，不仅会体现在返回值上，也会设置全局错误码errno。
当因为数据未就绪而非阻塞时，错误码errno被设置为EWOULDBLOCK || EAGAIN，其余为真正的读取失败。
在非阻塞式read读取时，还应当判断错误码是否为EINTR，表示是否因为进程收到信号而造成read终止，如果是，应当尝试再次读取。

其中 EWOULDBLOCK 和 EAGAIN 对应的错误码都是11，描述信息为：Resource temporarily unavailable，就是资源尚未就绪的意思。

代码3.1：非阻塞式IO

#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

// 设置非阻塞IO函数
bool SetNonBlockIO(int fd)
{
    // 获取文件状态
    int fd_status = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(fd_status < 0)
    {
        // 如果失败返回false，表示设置非阻塞失败
        return false;
    }

    // 在原有的文件状态下添加非阻塞状态
    fcntl(fd, F_SETFL, fd_status | O_NONBLOCK);
    return true;
}

int main()
{
    // 对标准输入设置非阻塞
    bool ret = SetNonBlockIO(0);
    if(!ret)
    {
        exit(1);
    }

    // 开始进行非阻塞IO操作
    char buffer[1024] = { 0 };
    while(1)
    {
        ssize_t sz = read(0, buffer, 1024);
        
        // 如果正常读取
        if(sz > 0)
        {
            buffer[sz - 1] = '\0';    // 设置字符串结束标识
            std::cout << "echo# " << buffer << ", [errno:" << errno << ", errorMsg:" << strerror(errno) << "]" << std::endl;
        }
        else   // 读取失败
        {
            // 如果是因为资源没有就绪而读取失败
            if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN)
            {
                std::cout << "errno:" << errno << ", errorMsg:" << strerror(errno) << std::endl;
            }
            else if(errno == EINTR)   // 因为进程收到信号而终止read
            {
                std::cout << "Interrupt because of signal, errno:" << errno << ", errorMsg:" << strerror(errno) << std::endl;
            }
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}