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    Linux 下的五种 IO 模型详细介绍(3)

    栏目:Linux/apache问题 时间:2019-10-28 13:48

    信号驱动IO (signal driven IO (SIGIO))

    应用程序提交read请求的system call,然后,kernel开始处理相应的IO操作,而同时,应用程序并不等kernel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kernel执行完毕,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。

    从理论上说,阻塞IO、IO复用和信号驱动的IO都是同步IO模型。因为在这三种模型中,IO的读写操作都是在IO事件发生之后由应用程序来完成。而POSIX规范所定义的异步IO模型则不同。对异步IO而言,用户可以直接对IO执行读写操作,这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置,以及IO操作完成后内核通知应用程序的方式。异步IO读写操作总是立即返回,而不论IO是否阻塞的,因为真主的读写操作已经由内核接管。也就是说,同步IO模型要求用户代码自行执行IO操作(将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区,或将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区),而异步IO机制则是由内核来执行IO操作(数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的移动是由内核在后台完成的)。你可以这样认为,同步IO向应用程序通知的是IO就绪事件,而异步IO向应用程序通知的是IO完成事件。linux环境下,aio.h头文件中定义的函数提供了对异步IO的支持。

    异步IO (asynchronous IO (the POSIX aio_functions))

    异步IO与上面的异步概念是一样的, 当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果,实际处理这个调用的函数在完成后,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.

    小结:前四种模型–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,因为其中真正的IO操作(函数)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。

    IO复用

    为了解释这个名词,首先来理解下复用这个概念,复用也就是共用的意思,这样理解还是有些抽象,为此,咱们来理解下复用在通信领域的使用,在通信领域中为了充分利用网络连接的物理介质,往往在同一条网络链路上采用时分复用或频分复用的技术使其在同一链路上传输多路信号,到这里我们就基本上理解了复用的含义,即公用某个“介质”来尽可能多的做同一类(性质)的事,那IO复用的“介质”是什么呢?为此我们首先来看看服务器编程的模型,客户端发来的请求服务端会产生一个进程来对其进行服务,每当来一个客户请求就产生一个进程来服务,然而进程不可能无限制的产生,因此为了解决大量客户端访问的问题,引入了IO复用技术,即:一个进程可以同时对多个客户请求进行服务。也就是说IO复用的“介质”是进程(准确的说复用的是select和poll,因为进程也是靠调用select和poll来实现的),复用一个进程(select和poll)来对多个IO进行服务,虽然客户端发来的IO是并发的但是IO所需的读写数据多数情况下是没有准备好的,因此就可以利用一个函数(select和poll)来监听IO所需的这些数据的状态,一旦IO有数据可以进行读写了,进程就来对这样的IO进行服务。

    理解完IO复用后,我们在来看下实现IO复用中的三个API(select、poll和epoll)的区别和联系,select,poll,epoll都是IO多路复用的机制,IO多路复用就是通过一种机制,可以监视多个描述符,一旦某个描述符就绪(一般是读就绪或者写就绪),能够通知应用程序进行相应的读写操作。但select,poll,epoll本质上都是同步IO,因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写,也就是说这个读写过程是阻塞的,而异步IO则无需自己负责进行读写,异步IO的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。三者的原型如下所示: