五种IO模型

小咪咪 2021-11-16 15:56 366阅读 0赞

五种I/O模型

Linux下基本的I/O模型有5种：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用、信号驱动、异步IO。

1.阻塞IO（Blocking IO）模型：在这个模型中，应用程序为了执行read()操作，会调用相应的一个系统调用函数，将控制权交给内核，然后就进行等待，即阻塞。内核开始执行这个系统调用函数，执行完毕后回想应用程序返回响应，应用程序得到响应后就不再阻塞，并进行后面的工作。

在调用recvfrom()函数或recv()函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程。阻塞IO模型是最通用的IO模型，使用这种模型进行数据接收的时候，在数据没有到达之前程序会一直死等，比如recvfrom()函数，内核会一直阻塞该请求直到有数据到来才返回。

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当调用recv()函数时，系统首先检查是否有准备好的数据，如果没有数据准备好，那么系统就处于等待状态。当有数据准备好时，将数据从系统缓冲区复制到用户空间，然后该函数返回。在套结应用程序中，当调用recv()函数时，未必用户空间就已经存在数据，此时recv()函数就会处于等待状态。

2.非阻塞IO（NonBlocking IO）模型：此模型下，程序通过设置文件描述符的属性为O\_NONBLOCK，IO操作可以立即返回，但是并不保证IO操作成功。也就是说，当程序设置了O\_NONBLOCK之后，执行write操作，调用相应的系统回调函数，这个系统回调函数会从内核中立即返回，但是在这个返回的时间点，数据可能还没有被真正的写入到指定位置，即内核只是很快的返回了这个回调函数，但是这个函数要进行的操作并没有完成，内核只有很快的返回，程序才不会被IO操作阻塞。而对于程序来说，虽然这个IO操作很快返回了，但是它并不知道这个IO操作是否真的执行成功了，要判断IO操作是否执行成功，一般有两种策略：一是需要程序主动地循环去问内核，即同步非阻塞IO，二是采用IO通知机制，比如，IO多路复用（异步阻塞IO）或信号驱动IO（异步非阻塞IO）。

当把套接字设置为非阻塞的IO，则对每次请求内核都不会阻塞，会立即返回；当没有数据的时候，会返回一个错误。如对于recvfrom()函数，前几次都没有数据返回，直到最后内核才向用户层的空间复制数据。

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非阻塞IO通过进程反复调用IO函数，多次调用，并立即返回，在数据复制过程中，进程是阻塞的。我们把一个socket 接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断地测试数据是否已经准备好，如果没有准备好则继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量占用CPU时间。

NonBlockIO.c

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <fcntl.h>
    void SetNonBlock(int fd)
    {
        int flag;
        flag = fcntl(fd,F_GETFL,0);
        if(flag < 0)
        {
            perror("fcntl:");
            return;
        }
        fcntl(fd,F_SETFL,flag | O_NONBLOCK);
    }
    int main()
    {
        //将标准输入设置为非阻塞
        SetNonBlock(0);
        //循环等待数据输入
        while(1)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            ssize_t read_size = read(0,buffer,sizeof(buffer) - 1);
            if(read_size < 0)
            {
                perror("read:");
                sleep(1);
                continue;
            }
           printf("input:%s\n",buffer);
    
        }
        return 0;
    }

当不设置非阻塞时，程序会一直等待数据输入，不显示任何内容；当设置非阻塞时，程序每隔一秒输出Resource temporarily unavailable（资源临时不可达），直到有数据输入时，程序会输出此输入的内容，然后继续报read的错误，等待下次数据的到来。

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3.IO复用（IOMultiplexing）模型：在这种模型下，应用程序要执行read操作时，先调用系统回调函数，这个回调函数被传递给了内核。但是对于程序来讲，它在调用系统回调函数之后，并不等待内核的返回结果，而是直接返回，虽然立即返回的调用函数是一个异步的方式，但应用程序会被像select()、poll()、epoll()等具有复用多个文件描述符的函数阻塞住，一直等到这个回调函数有结果返回了，再通知应用程序。

使用IO复用模型可以在等待的时候加入超时的时间，当超时时间没有达到的时候与阻塞的情况一致，而当超时时间达到却仍然没有数据接收到的话，系统会返回，不再等待。select()函数按照一定的超时时间轮询，直到需要等待的套接字有数据到来，利用recvfrom()函数将数据复制到应用层。

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IO复用主要针对的是select和epoll，对于一个IO端口，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性，关键是能实现同时对多个IO端口进行监听；I/O复用模型会用到select()、poll()、epoll()函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这些函数可以同时阻塞多个IO操作，而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检测，直到有数据可读或可写时才真正调用IO操作函数。

4.信号驱动IO（Signal Driven IO）模型：应用程序提交read()请求的系统回调函数，然后内核开始处理相应的IO操作，而同时，应用程序并不等待内核返回响应，就会开始执行其他的处理操作（应用程序没有被IO操作所阻塞）。当内核执行完毕后，返回read的响应，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次IO处理过程。

信号驱动的IO在进程开始的时候注册一个信号处理的回调函数，进程继续执行，当信号发生时，即有了IO的事件，即有数据到来，利用注册的回调函数将到来的函数用recvfrom()接收到。

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信号驱动IO模型首先我们允许套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

5.异步IO（Asynchronous IO）模型：当一个异步过程调用发生时，调用者不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作。

异步IO与信号驱动IO很相似，其区别就在于信号驱动IO是当数据到来的时候使用信号通知注册的信号处理函数，而异步IO则是在数据复制完成的时候才发送信号通知注册的信号处理函数。

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异步IO的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们，这种模型与信号驱动的IO区别在于，信号驱动IO是由内核通知我们何时可以启动一个IO操作，这个IO操作由用户自定义的信号函数来实现，而异步IO模型是由内核告知我们IO操作何时完成。为了实现异步IO，专门定义了一套以aio开头的API，如：aio\_read。

总结：这五种IO模型，其中阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO和信号驱动IO都属于同步模式，因为其真正的IO操作都将会阻塞进程，只有异步IO模型真正实现了IO操作的异步性。

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