Linux内核之IO1: I/O模型

以你之姓@ 2022-12-01 14:20 172阅读 0赞

在业务执行过程中，常伴随大量的IO操作，如果IO操作和CPU消耗不能合理安排，将会导致整体业务执行效率低下，用户体验极差。

比如手机启动过程，有大量CPU消耗和IO操作。用Bootchart记录android启动过程的CPU/IO消耗如下图

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aCRAFC0H-1598518385439)(media/ea040143e464284eac5cb90a25bfd1bf.png)\]][img-aCRAFC0H-1598518385439_media_ea040143e464284eac5cb90a25bfd1bf.png]

**Systemd readahead:**

Systemd readahead-collect.service搜集系统启动过程中的文件访问信息，Systemd  
readahead-replay.service在后续启动过程中完成回放，即将IO操作与CPU并行；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-B8dw2J9U-1598518385442)(media/d9ba7003dd852f0decde1a1cdcfe5dcc.png)\]][img-B8dw2J9U-1598518385442_media_d9ba7003dd852f0decde1a1cdcfe5dcc.png]

提高效率的一个宗旨，把CPU和IO的交替等，变为CPU和IO操作(不需要CPU参与)同时工作，充分利用系统资源；

为解决CPU/IO并行问题，Linux提供了很多IO模型；

## 1 阻塞与非阻塞 ##

**(1)阻塞：** 一般来说，进程阻塞，等待IO条件满足才返回；

有个例外，阻塞可以被信号打断；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SaakZk1k-1598518385444)(media/4d498cafcd020df899348b4519839b08.png)\]][img-SaakZk1k-1598518385444_media_4d498cafcd020df899348b4519839b08.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cZxcQYRX-1598518385447)(media/1a979568086be61aa25ca12637799b45.png)\]][img-cZxcQYRX-1598518385447_media_1a979568086be61aa25ca12637799b45.png]

若设置信号标记，act.sa\_flags |= SA\_RESTART;  
接收信号，read阻塞不返回，但是信号响应函数还是会调用；相当于系统自动重新进入阻塞；

用signal()函数设置信号，其调用sigaction自动设置SA\_RESTART；

**（2）非阻塞**

read/write等IO调用，IO设备没就绪，立即返回，实际工程上用的不多；

## 2 多路复用 ##

实际业务中，一般有多个IO请求，每个请求响应都用简单的阻塞模型效率太低，Linux提供了多路复用的的系统调用：

### **(1) select** ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aFU8Z5wY-1598518385449)(media/05795b93e54068292258c24ee1ba4297.png)\]][img-aFU8Z5wY-1598518385449_media_05795b93e54068292258c24ee1ba4297.png]

**select()处理流程**

a.告诉系统，要关注哪些IO请求；

b.阻塞等待，直到有IO就绪，select返回；

c.主动查询是哪个IO就绪，然后响应该IO;

d.重新关注新的IO请求；

当IO请求过多时，这种查询的方式也很浪费资源，因此Linux提供了一个新的系统调用

### **(2)epoll()** ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HPDMjVDm-1598518385450)(media/37054435ff7dd066a54e129d6e874b81.png)\]][img-HPDMjVDm-1598518385450_media_37054435ff7dd066a54e129d6e874b81.png]

**epoll与select的不同：**

a.将注册IO请求和等待事件触发分离开；

b.返回后，直接告诉哪些IO就绪，**不用再主动查询**；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4mtLiUhS-1598518385451)(media/38b1aa64e1aa525a85ea753c778aa946.png)\]][img-4mtLiUhS-1598518385451_media_38b1aa64e1aa525a85ea753c778aa946.png]

当IO数量不多时，可以用select或epoll，但当IO非常多时，比如大型网络应用，响应多个IO请求时，用epoll效率远高于select。

signal io方式，都是read/write阻塞，底层实现，待IO就绪后，内核发送信号，唤醒阻塞；

比如读触摸屏应用，read被阻塞，只有触摸屏被按下，触发中断程序响应，读取触摸屏行为数据后，内核发送信号唤醒APP的等待，APP读到触摸动作信息，做相应业务处理。

目前工程上，处理异步I/O更多用以下方法

## 3 异步IO ##

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yXCC2kR4-1598518385452)(media/b2d5d1eeb9d0aab9efd3d5ccc3747be1.png)\]][img-yXCC2kR4-1598518385452_media_b2d5d1eeb9d0aab9efd3d5ccc3747be1.png]

### (1) C库提供的Glibc-AIO ###

Glibc-AIO原理，aio\_read()立即返回，后台自动创建线程读取io，aio\_suspend()查询IO是否完成，完成立即返回，未完成，等待；

### (2) 内核提供的Kernel-AIO： ###

一般用来读取硬盘数据，比如数据库读取；

这些异步模型，天然的将IO与CPU消耗等待做并行处理；

## 4 Libevent事件触发 ##

功能类似QT/VC的按钮，注册回调函数，当事件触发时，执行回调函数。

libevent是一个跨平台库，封装底层平台调用，提供统一API。Windows/Solaris/linux。

gcc xxx.c -levent

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tBCiKYlP-1598518385453)(media/cad42f145a09664cb6b045a2b6ed999a.png)\]][img-tBCiKYlP-1598518385453_media_cad42f145a09664cb6b045a2b6ed999a.png]

模型对比：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1Qo2g9Lu-1598518385454)(media/78e1876b15c0cc8ee39a71105aec58e8.png)\]][img-1Qo2g9Lu-1598518385454_media_78e1876b15c0cc8ee39a71105aec58e8.png]

C10K问题：[http://www.kegel.com/c10k.html][http_www.kegel.com_c10k.html]

[img-aCRAFC0H-1598518385439_media_ea040143e464284eac5cb90a25bfd1bf.png]: /images/20221123/5000af76f69a4bcdb5c24a793aa2791b.png
[img-B8dw2J9U-1598518385442_media_d9ba7003dd852f0decde1a1cdcfe5dcc.png]: /images/20221123/ebc21945ed4440aa80d6488897aca24e.png
[img-SaakZk1k-1598518385444_media_4d498cafcd020df899348b4519839b08.png]: /images/20221123/034fccd4ad5145cc8020e748be0b2691.png
[img-cZxcQYRX-1598518385447_media_1a979568086be61aa25ca12637799b45.png]: /images/20221123/7d0596157cd74a00ba0e819ff59d236f.png
[img-aFU8Z5wY-1598518385449_media_05795b93e54068292258c24ee1ba4297.png]: /images/20221123/f9b38fd5ed35419ea5c6c84599b3f584.png
[img-HPDMjVDm-1598518385450_media_37054435ff7dd066a54e129d6e874b81.png]: /images/20221123/1cafd7224d54405c82b00f2e7941b4de.png
[img-4mtLiUhS-1598518385451_media_38b1aa64e1aa525a85ea753c778aa946.png]: /images/20221123/5b564d78d5994b93bb5ca3c0f8dc2fce.png
[img-yXCC2kR4-1598518385452_media_b2d5d1eeb9d0aab9efd3d5ccc3747be1.png]: /images/20221123/eaa1bee462364d0388b49bac4cc618fd.png
[img-tBCiKYlP-1598518385453_media_cad42f145a09664cb6b045a2b6ed999a.png]: /images/20221123/7b3d1b91aeee4f869079337333b2235e.png
[img-1Qo2g9Lu-1598518385454_media_78e1876b15c0cc8ee39a71105aec58e8.png]: /images/20221123/4b33cc55e6ae4158bff3798568e9e0cd.png
[http_www.kegel.com_c10k.html]: http://www.kegel.com/c10k.html