操作系统 200316

绝地灬酷狼 2021-09-21 04:04 143阅读 0赞

**1. 普通文件 IO 页缓存需要复制几次？具体过程是什么？**

Linux 的缓存 IO 机制中，操作系统会将 IO 的数据缓存在文件系统的页缓存中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所有的文件内容的读取（无论一开始是命中页缓存还是没有命中页缓存）最终都是直接来源于页缓存。当将数据从磁盘复制到页缓存之后，还要将页缓存的数据通过 CPU 复制到 read 调用提供的缓冲区中，这就是普通文件 IO 需要的两次复制数据复制过程。其中第一次是通过 DMA 的方式将数据从磁盘复制到页缓存中，本次过程只需要 CPU 在一开始的时候让出总线、结束之后处理 DMA 中断即可，中间不需要 CPU 的直接干预，CPU 可以去做别的事情；第二次是将数据从页缓存复制到进程自己的的地址空间对应的物理内存中，这个过程中需要 CPU 的全程干预，浪费 CPU 的时间和额外的物理内存空间。

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**2. 常见的 IO 模型？**

常见的 IO 模型：

*  同步阻塞 IO（blocking IO）：当用户进程调用了 recvfrom 这个系统调用，kernel 就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据（对于网络 IO 来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的 UDP 包。这个时候 kernel 就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 中拷贝到用户内存，然后 kernel 返回结果，用户进程才解除 block 的状态，重新运行起来。
 *  同步非阻塞 IO（nonblocking IO）当用户进程发出 read 操作时，如果 kernel 中的数据还没有准备好，那么它并不会 block 用户进程，而是立刻返回一个 error。从用户进程角度讲 ，它发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。一旦 kernel 中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的 system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。
 *  IO 多路复用（IO multiplexing） I/O 多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。可达到在同一个线程内同时处理多个 IO 请求的目的。select，poll，epoll 都是 IO 多路复用的机制。但 select，poll，epoll 本质上都是同步 I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是同步阻塞的。
 *  异步 IO （asynchronous IO）用户进程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从 kernel 的角度，当它受到一个 asynchronous read 之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何 block。然后，kernel 会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel 会给用户进程发送一个 signal，告诉它 read 操作完成了。

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**3.IO 多路复用的 select、poll 和 epoll 函数的区别？**

*  select 函数监视文件描述符，调用后 select 函数会阻塞，直到有描述符就绪，或者超时，函数返回，当 select 函数返回后，就可以遍历描述符，找到就绪的描述符。select 的一个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制
 *  没有最大限制（但是数量过大后性能也是会下降）。和 select 函数一样，poll 返回后，需要轮询来获取就绪的描述符。
 *  epoll 是 Linux 内核为处理大批量文件描述符而作了改进的 poll，是 Linux 下多路复用 IO 接口 select/poll 的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统 CPU 利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核 IO 事件异步唤醒而加入 Ready 队列的描述符集合就行了。

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