Linux的5种IO模型梳理

公众号新闻

2023-04-02 13:04

一、基本概念

五种IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO、异步IO。

首先需要了解下系统调用的几个函数和基本概念。

1.1 简单介绍几个系统调用函数

由于我对于C语言不熟悉，几个系统函数参考了一些文章，如果错误欢迎指出！

recvfrom

Linux系统提供给用户用于接收网络IO的系统接口。从套接字上接收一个消息，可同时应用于面向连接和无连接的套接字。

如果此系统调用返回值<0，并且 errno为EWOULDBLOCK或EAGAIN（套接字已标记为非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超时）时，连接正常，阻塞接收数据（这很关键，前4种IO模型都设计此系统调用）。

select

select系统调用允许程序同时在多个底层文件描述符上，等待输入的到达或输出的完成。以数组形式存储文件描述符，64位机器默认2048个。当有数据准备好时，无法感知具体是哪个流OK了，所以需要一个一个的遍历，函数的时间复杂度为O(n)。

poll

以链表形式存储文件描述符，没有长度限制。本质与select相同，函数的时间复杂度也为O(n)。

epoll

是基于事件驱动的，如果某个流准备好了，会以事件通知，知道具体是哪个流，因此不需要遍历，函数的时间复杂度为O(1)。

sigaction

用于设置对信号的处理方式，也可检验对某信号的预设处理方式。Linux使用SIGIO信号来实现IO异步通知机制。

1.2 同步&异步

同步和异步是针对应用程序和内核交互而言的，也可理解为被被调用者（操作系统）的角度来说。同步是用户进程触发IO操作并等待或轮询的去查看是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知，需要CPU支持

1.3 阻塞&非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，也可理解为调用者（程序）角度来说。根据IO操作的就绪状态来采取的不同的方式。阻塞方式下读取或写入方法将一直等待，而非阻塞方式下读取或写入方法会立即返回一个状态值。

下午撸代码饿了，好久没吃KFC了，决定去整个全家桶，这一切都要从一个全家桶说起~

我跑去肯德基买全家桶，但是很不巧，轮到我时，全家桶卖完了，我只能等着新做一份 ...

二、阻塞IO模型

学习过操作系统的知识后，可以知道：不管是网络IO还是磁盘IO，对于读操作而言，都是等到网络的某个数据分组到达后/数据准备好后，将数据拷贝到内核空间的缓冲区中，再从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区。

此时我已饥渴难耐，全程盯着后厨，等待着一分一秒（别多想），终于全家桶做好了，在此期间虽然什么事也没干，但是最后能吃到全家桶，我很幸福。此处需要一个清新的脑回路，我就是程序，我想要全家桶，于是发起了系统调用，而后厨加工的过程就是在做数据准备和拷贝工作。全家桶最终到手，数据终于从内核空间拷贝到了用户空间。

简单看下执行流程：

接下来发挥看图说话的专长了：阻塞IO的执行过程是进程进行系统调用，等待内核将数据准备好并复制到用户态缓冲区后，进程放弃使用CPU并一直阻塞在此，直到数据准备好。

三、非阻塞IO模型

此时我每隔5分钟询问全家桶好了没，在数次盘问后，终于出炉了。在每一次盘问之前，对于程序来说是非阻塞的，占用CPU资源，可以做其他事情。

每次应用程序询问内核是否有数据准备好。如果就绪，就进行拷贝操作；如果未就绪，就不阻塞程序，内核直接返回未就绪的返回值，等待用户程序下一个轮询。

大致经历两个阶段：

等待数据阶段：未阻塞，用户进程需要盲等，不停的去轮询内核。
数据复制阶段：阻塞，此时进行数据复制。在这两个阶段中，用户进程只有在数据复制阶段被阻塞了，而等待数据阶段没有阻塞，但是用户进程需要盲等，不停地轮询内核，看数据是否准备好。

四、IO多路复用模型

排了很长的队，终于轮到我支付后，拿到了一张小票，上面有号次。当全家桶出炉后，会喊相应的号次来取。KFC营业员小姐姐打小票出号次的动作相当于操作系统多开了个线程，专门接收客户端的连接。我只关注叫到的是不是我的号，因此程序还需在服务端注册我想监听的事件类型。

多路复用一般都是用于网络IO，服务端与多个客户端的建立连接。下面是神奇的多路复用执行过程：

相比于阻塞IO模型，多路复用只是多了一个select/poll/epoll函数。select函数会不断地轮询自己所负责的文件描述符/套接字的到达状态，当某个套接字就绪时，就对这个套接字进行处理。select负责轮询等待，recvfrom负责拷贝。当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有IO都没注册好，调用进程就阻塞。

对于客户端来说，一般感受不到阻塞，因为请求来了，可以用放到线程池里执行；但对于执行select的操作系统而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某个套接字变为可读。

IO多路复用其实是阻塞在select，poll，epoll这类系统调用上的，复用的是执行select，poll，epoll的线程。