一个例子看懂IO模型

news2024/10/6 10:35:18

1.用户态和内核态

现代操作系统将空间划分为用户空间和内核空间。

用户态：一般都是些应用程序，不能直接的访问内核空间和硬盘。

内核态：操作系统的核心，只有切换到内核态才能操作磁盘。

2.同步、异步、阻塞、非阻塞

我们使用前后端交互中的客户端和服务端来理解这些概念，同步和异步针对的是客户端，而阻塞和非阻塞针对服务端。

同步：前端发出一个请求，前端直接卡住，必须等到接收到服务端响应来的数据之后才会继续向下进行。
异步：前端发出一个请求，不用管，继续向下执行，利用回调的方式来接收响应的数据，比如我们的ajax异步请求。
阻塞：后端接收请求的线程获取到前端发送的请求时，去调用处理线程去数据库中查询所需要的数据并返回给接收线程，阻塞就是在处理线程操作的过程中，接收请求的线程必须停步等待，不能去干其他的事情。
非阻塞：非阻塞就是在处理线程操作的过程中，接受请求的线程采用轮询的方式来查看数据是否准备好了，在期间可以干其他的事情。

3.各种IO模型

我们使用一个例子来理解各种IO模型，比如顾客去餐馆买饭。

3.1阻塞IO模型(BIO)

应用程序的进程发起IO调用，但是内核的数据还没有准备好，那应用进程就一直阻塞等待，等到内核数据准备好了，将内核数据拷贝到用户空间，才返回成功。

意思就是：你点完餐在这里等待哪都不去(同步)，服务员(应用进程)将你点的食物(数据)告诉给厨师长(内核)，然后服务员就在前台一直在这等着(阻塞)，等到厨师长将食物做完(内核数据准备好了)，然后厨师长打包好之后(拷贝到用户空间)直接到前台给服务员。

3.2非阻塞IO模型(NIO)

应用程序的进程发起IO调用，但是内核的数据还没有准备好，那么应用进程就会轮询调用，等到哪一次应用进程去调用时内核的数据准备好了，然后将内核数据拷贝到用户空间(此时的应用进程是阻塞的状态)，才返回成功。

意思就是：你点完餐在这里等待哪都不去(同步)，服务员将你点的食物告诉厨师长，然后服务员去服务其他的顾客了(非阻塞)，过一会时间，服务员问厨师长，彦祖的饭好了没(轮询调用)，厨师长说马上好了(内核数据正在准备中)，然后服务员又去服务其他的顾客了，等到服务员问到第三次时，厨师长说彦祖的食物做好了(内核数据准备好了)，这时服务员就到后厨等待哪都不去(此时的应用进程是阻塞的状态)，等到厨师长将食物打包后(拷贝到用户空间)直接给服务员。

3.3IO复用模型

IO多路复用有select函数、poll函数和epoll函数。IO多路复用避免了NIO中无效的轮询调用的问题，采用了一套监听的方法，应用程序的进程发起IO调用，但是内核的数据还没有准备好，此时应用进程不再主动的去询问内核数据是否准备好(此时的应用进程是一个阻塞的状态)，而是内核数据准备好后，返回一个事件状态，然后应用进程再去调用，将内核数据拷贝到用户空间(此时的应用进程是阻塞的状态)，才返回成功。

fd也叫文件描述符，是一个非负的整数，本质上是一个索引值，是内核态为每个进程所记录其打开文件的记录表。

select缺点就是监听的IO数量有限，内核数据准备好了，还需要一个个去遍历判断是属于哪个IO的。
poll解决了监听IO数量的限制问题，但是还是需要一个个去遍历判断，效率还是很低。
epoll采用的是事件监听回调的方式，可以迅速定位到相关应用程序上。

采用epoll函数的意思就是：你点完餐后哪都不去(同步) ，服务员将你点的食物告诉厨师长并给这个食物设置一个彦祖的名称和一个进度条，然后服务员就一直在前台等着(阻塞)，等到厨师长将食物做好了(内核数据准备好了)，彦祖点的食物的进度条也满了，然后广播播放彦祖顾客的食物做好了(回调)，这时负责彦祖点餐的服务员(快速定位)就到后厨等待哪都不去(此时的应用进程是阻塞的状态)，等到厨师长将食物打包后(拷贝到用户空间)直接给服务员。

3.4信号驱动IO模型

应用程序的进程发起IO调用，但是内核的数据还没有准备好，那么应用进程就会去处理其他的事情，等到内核的数据准备好了，就会给应用程序发送一个信号，然后应用进程去调用数据，内核数据拷贝到用户空间(此时的应用程序是阻塞的状态)，才返回成功。

意思就是：你点完餐后哪都不去(同步) ，服务员将你点的食物告诉厨师长并给这个食物设置一个彦祖的名称和一个进度条，然后服务员去服务其他的顾客了(非阻塞)，等到厨师长将食物做好了(内核数据准备好了)，彦祖点的食物的进度条也满了，然后服务员的对讲机里说彦祖顾客的食物做好了，这时服务员就到后厨等待哪都不去(此时的应用进程是阻塞的状态)，等到厨师长将食物打包后(拷贝到用户空间)直接给服务员。

我们可以看到上面四种IO模型在内核数据拷贝到用户空间的这个过程，应用进程都是阻塞的。