Linux的五种IO模型

news2024/12/24 8:45:51

众所周知，出于对 OS 安全性的考虑，用户进程是不能直接操作 I/O 设备的。必须通过系统调用请求操作系统内核来协助完成 I/O 动作。

下图展示了 Linux I/O 的过程。
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操作系统内核收到用户进程发起的请求后，从 I/O 设备读取数据到 kernel buffer 中，再将 buffer 中的数据拷贝到用户进程的地址空间，用户进程获取到数据后返回给客户端。

在 I/O 过程中，对于输入操作通常有两个不同的阶段：

等待数据准备好
将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程

根据这两个阶段等待方式的不同，可以将 Linux I/O 分为 5 种模式：

blocking I/O，阻塞式 I/O
nonblocking I/O，非阻塞式 I/O
I/O multiplexing（select and poll），I/O 多路复用
signal driven I/O（SIGIO），信号驱动 I/O
asynchronous I/O（the POSIX aio_functions），异步 I/O

对于 Socket 上的输入操作:

第 1 步通常是等待网络上的数据到达。当数据包到达时，它被复制到内核的缓冲区中。
第 2 步是从内核缓冲区复制数据到应用程序缓冲区。

下面详细介绍 Linux 中的 5 种 I/O 模式。
1. Blocking I/O

默认情况下，所有的 Socket 都是阻塞式的。下图展示了一个基于 UDP 的网络数据获取流程。

用户进程调用了 recvfrom 系统调用，此后一直处于等待状态，直到数据包到达并被拷贝到应用程序缓冲区，或者发生 error 才返回。整个过程从开始 recvfrom 调用到它返回一直处于阻塞状态。当 recvfrom 调用返回后，应用进程才能处理数据。
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2. Nonblocking I/O

可以设置 Socket 为非阻塞模式。这种设置相当于告诉内核“当 I/O 操作时，如果请求是不可能完成的，不要把进程进入睡眠状态，返回一个错误即可“。下图展示了整个流程：在前三次调用 recvfrom 系统调用时，没有就绪的数据返回，所以内核立即返回 EWOULDBLOCK 错误。第四次调用 recvfrom 时，数据报已经准备好，它被复制到应用程序缓冲区中，然后 recvfrom 成功返回。最后应用进程对数据进行处理。当应用程序在一个非阻塞描述符上循环调用 recvfrom 系统调用时，这种方式也被称为轮询。应用程序不断轮询内核，以查看是否有某些操作准备好了。很明显，这通常会浪费 CPU 时间，但这种模式偶尔也会被使用。通常在专门用于一个功能的系统上使用。
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3. I/O Multiplexing

I/O 多路复用通常使用 select 或者 poll 或者 epoll 系统调用。这种方式下的阻塞只是被 select 或者 poll 或者 epoll 系统调用阻塞，而不会阻塞实际的 I/O 系统调用（即数据输入、输出不会被阻塞）。下图展示了整个过程。当调用 select 时，应用进程被阻塞。同时，系统内核会“监视”所有 select 负责的 Socket。只要其中有 1 个 Socket 的数据准备好了，select 调用就返回。然后调用 recvfrom 将数据报复制到应用程序缓冲区，最后返回给用户进程。

乍一看，这种方式和 blocking I/O 相比似乎更差，因为整个过程产生了 2 次系统调用，select 和 recvfrom。但是使用 select 的好处是可以同时等待多个描述符准备好。换句话说可以同时“聆听”多个 Socket 通道，同时处理多个连接。select 的优势不是对于单个连接处理得更快，而是能同时处理更多的连接。这和多线程阻塞式 I/O 有点类似。只不过后者是使用多个线程（每个文件描述符对应一个线程）来处理 I/O，每个线程都可以自由地调用阻塞式系统调用，比如 recvfrom。我们知道线程多了会带来上下文切换的开销，因此未必优于 select 方式。在前面 Java NIO 的例子中，我们已经体会到了 selector 带来的性能提升。
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Linux 内核将所有外部设备都当成一个个文件来操作。我们对文件的读写都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个文件描述符（file descriptor）。而对一个 Socket 的读写也会有相应的描述符，称为 socketfd。应用进程对文件的读写通过对 fd 的读写完成。

4. Signal Driven I/O

信号驱动方式就是等数据准备好后，由内核发出 SIGIO 信号通知应用进程。示意图如下：
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应用进程通过 sigaction 系统调用建立起 SIGIO 信号处理通道，然后此系统调用就返回，不阻塞。当数据准备好后，内核会产生一个 SIGIO 信号通知到应用进程。此时既可以使用 SIGIO 信号处理器通过 recvfrom 系统调用读取数据，然后通知应用进程数据准备好了，可以处理了；也可以直接通知应用进程读取数据。不管使用何种方式，好处都是应用进程不会阻塞，可以继续执行，只要等待信号通知数据准备好被处理了、数据准备好被读取了。