《网络编程》I/O 模型

港控/mmm° 2022-08-06 02:14 145阅读 0赞

### 前言 ###

在分析 I/O 模型之前，首先了解 同步 I/O 和 异步 I/O 的基本概念：

1.  **同步 I/O**：进程调用 I/O 操作函数时，在 I/O 操作函数返回之前，该进程会被挂起（即阻塞），直到 I/O 操作完成后返回；
2.  **异步 I/O**：进程调用 I/O 操作函数时，在 I/O 操作函数返回之前，该进程不会被挂起（即不阻塞），当 I/O 操作完成后会通知方式告知进程；

在 Unix 系统中主要有 5 种 I/O 模型：**阻塞式 I/O；非阻塞式 I/O；I/O 多路复用；信号驱动式 I/O；异步 I/O；**

一般一个输入操作需要两个阶段：（1）**等待数据准备就绪**；（2）**从内核向进程复制数据**；

### 阻塞式 I/O ###

当进程调用 I/O 操作时，若数据未准备就绪，则进程会一直处于阻塞状态，直到数据准备就绪，并从内核把该数据复制到应用进程的缓冲区后才返回。即 I/O 操作的两个阶段都属于阻塞状态。

以 UDP 数据报的读取过程为例，若进程调用 recvfrom 函数从套接字读取数据，若此时套接字缓冲区没有数据，则进程会阻塞于 recvfrom 函数调用，直到套接字缓冲区有数据，并把该数据读取到进程缓冲区后返回。在 recvfrom 函数返回之前，进程一直处于阻塞状态。

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### 非阻塞式 I/O ###

当进程调用 I/O 操作时，若数据未准备就绪，则立即返回一个 EWOULDBLOCK 错误，直到数据准备就绪，在数据准备就绪之前，应用进程采用轮询的方式检查数据是否准备就绪。当数据准备就绪之后，在内核把该数据复制到应用进程的缓冲区之前，进程处于阻塞状态，直到数据复制完成后才返回。即 I/O 操作第一阶段处于轮询检查状态，第二阶段处于阻塞状态。

以 UDP 数据报的读取过程为例，若进程调用 recvfrom 函数从套接字读取数据，若此时套接字缓冲区没有数据，则会返回一个 EWOULDBLOCK 错误给进程，在数据准备就绪之前，应用进程采用轮询的方式检查数据是否准备就绪。直到套接字缓冲区有数据，并把该数据读取到进程缓冲区后返回。

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### I/O 多路复用 ###

在 I/O 多路复用中，一般系统调用 select 或 poll 函数，在数据准备就绪之前阻塞于 select 或 poll 的系统调用上，而不阻塞于 I/O 操作上。当 select 或 poll 发现数据准备就绪后，通过实际的 I/O 操作将数据从内核复制到应用进程的缓冲区上。即第一阶段阻塞于 select 或 poll 的系统调用上，第二阶段阻塞于实际的 I/O 操作。

以 UDP 数据报的读取过程为例，若进程调用 select 函数等待数据报套接字变为可读，当 select 函数返回套接字可读时，调用 recvfrom 把所读数据报复制到应用进程缓冲区。

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### 信号驱动式 I/O ###

当进程调用 I/O 操作时，若数据未准备就绪，则等待数据准备就绪，在等待期间进行不会阻塞。若在某一时刻数据准备就绪，内核会通知进程启动 I/O 操作，将数据从内核复制到应用进程缓冲区。即第一阶段处于等待阶段，此时，进程并不会阻塞，第二阶段阻塞于实际的 I/O 操作。

首先开启套接字的信号驱动式 I/O 功能，并通过函数 sigaction 系统调用一个信号处理函数，该系统调用立即返回，进程继续工作，即进程不会被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为进程产生一个 SIGIO 信号，捕获该信号并对该信号进行处理，在处理函数中调用 recvfrom 函数读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理，也可以通知主循环，让它读取数据报。等待数据报到达期间进程不会被阻塞。

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### 异步 I/O ###

应用进程启动一个异步 I/O 操作，并让内核在整个操作（将数据从内核复制到应该进程的缓冲区）完成后通知应用进程。在整个过程中，进程不会被阻塞。

调用 aio\_read 函数，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小和文件偏移，并告知内核整个操作完成时如何通知进程。该系统调用立即返回，而且在等待 I/O 完成期间，进程不会被阻塞。

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### 5 种 I/O 模型比较 ###

前面四种 阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 多路复用 以及 信号驱动式 I/O 属于同步 I/O。下图显示了这 5 种 I/O 模型之间的区别。

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参考资料：

《Unix 网络编程》

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