Linux 五种IO模型(形象生动的例子)

比眉伴天荒 2022-01-26 10:53 282阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  引言
     *  阻塞IO
     *  非阻塞IO
     *  信号驱动IO
     *  多路复用/多路转接IO
     *  异步IO
     *  总结

## 引言 ##

> 在学习五种IO模型之前，我们先看这样一个例子：大家都钓过鱼吧，钓鱼最主要的步骤实际就两个：1. 等  
> 2. 拉杆。 钓鱼的时候你会发现有这样几种人：  
> **张三**(此人比较沉闷安静)：就一直紧紧盯着鱼钩，一动不动，谁也不理，有鱼就拉杆  
> **李四**(此人生性活泼好动)：在等鱼的时候，一会去找张三聊天，“嘿，哥们，钓几条鱼了”，张三不理他，一会玩玩手机，然后去看看鱼钩，又去找张三聊天，又玩玩手机，看看鱼钩…  
> **王五**(此人非常非常机智)：在鱼竿处挂了一个铃铛，然后就去做自己的事情了，铃铛响拉鱼竿，铃铛不响就一直做自己的事情  
> **赵六**(此人是个土豪)：开着大卡车来钓鱼，放了一百个鱼竿，哪个杆有鱼拉哪个杆  
> **田七**(此人是个大土豪)：专车司机来送，他告诉司机，你去给我钓鱼，我要回去处理事情，顺便给司机一个盆，一个电话，等盘满了给我打电话就行。然后就开着车走了

上面五个人各有各的特点，但都有共同点，比如，前四个人在钓到鱼之后做的事情都一样，也就是拉杆，但钓到鱼之前做的事情不一样，有的做自己事情，有的一直等，还有的可以增加钓到鱼的概率。

**一定记住：IO分两步：1. 等 2. 数据搬迁(数据拷贝)**

## 阻塞IO ##

实际上，阻塞也分为两步：**1. 设置为非R状态 2. 添加到等待队列中**  
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，cpu不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。函数只有在得到结果之后才会返回。  
字面意思实际就可以理解：如果此时没有数据，就一直在这等待阻塞，直到有数据为止才返回。

> 想一想是不是和上面张三是一样的，一直在死等鱼的到来，谁来理我都不管，对外界不闻不问，没有鱼我就等，等到鱼上钩的时候才继续往下  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 非阻塞IO ##

正好与阻塞IO相反，如果没有数据，不会死等，而是立即返回，去做自己的事情，等一段时间再来看是都有数据，如果还是没有，继续做自己的事情…

> 想想上面例子的李四，是不是就是这样，如果没有鱼，我就玩玩手机，找张三说说话，虽然张三不理他，过段时间，看看是否有鱼上钩，如果没有，继续玩玩手机，找张三，还是不理他…![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

a.非阻塞式IO往往需要我们系统不能阻塞的等待数据，需要向下进行一些必要的逻辑  
b.由于非阻塞的原因，往往需要轮询的方式来进行调用。  
c. 可以看到非阻塞式并没有一直阻塞在系统调用，而是不断返回，但是只有数据从内核拷贝到用户才返回成功

## 信号驱动IO ##

顾名思义：也就是如果有数据的时候，就通知一下进程(给进程发个信号)，说我有数据了，你来拷贝吧。

> 上面例子的王五就是这样干的，挂了一个铃铛，就相当于信号，当铃铛响的时候就表示鱼到了，就去拉鱼竿。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

a. 信号驱动IO是通过信号的捕捉来提示数据准备好了，而不是IO胸痛调用自己去等待，这样就节省了大量的等待时间  
b. 信号驱动只花费了将数据从内核拷贝到用户空间的时间

## 多路复用/多路转接IO ##

多路复用IO实际上就是同时监控大量的文件描述符，哪个就绪就处理哪个。  
这实际上就是我么使用到的 select

> 和上面赵六的做法是不是就是一样的，同时放很多个鱼竿，哪个鱼竿有鱼就收哪个  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

a. 可以看到IO多路复用似乎和阻塞式没有什么不同，都是先等待数据的准备，然后将数据从内核拷贝到用户。  
b. 但是可以发现select可以监听多个文件描述符的就绪

## 异步IO ##

异步IO就是我把事情都交给别人做，等完成了，给我个信号(不负责数据的拷贝)

> 上述田七的做法就是异步IO，给司机个盆，电话，等盆满的时候就给田七打个电话  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

a. 可以看到异步IO是在内核拷贝到用户空间之后，才通知应用程序，你该去处理数据了。

## 总结 ##

a. IO分为两步：第一步 等，第二步数据拷贝  
b. 前四种IO都是同步IO，都需要进行等，只不过等的方式不一样，并且任务都是自己发起，自己等待，最后自己拷贝

> 这篇博客只是帮助简单分辨，关于select 和 epooll，博主会在下一篇博客中给出

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220126/ae2a30399db64915a380970107169b7e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220126/3c05eb681ee9424e8313089da841a6c5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220126/0ae6d6d6946947ecbd14c83e3aa7bb43.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220126/f98f25dcfed24db688ed4ec80cd41665.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FpeGlhb2Rlc2h1c2h1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220126/f64f69d0ee314cd594aeafb15c849aa6.png