其實 Linux IO 模型沒那么難

作者：陳樹義 2021-07-01 07:34:09

IO 其實就是 Input 和 Output，在操作系統(tǒng)中就對應(yīng)數(shù)據(jù)流的輸入與輸出。這個數(shù)據(jù)流的兩端，可以是文件，也可以是網(wǎng)絡(luò)的一臺主機。但無論是文件，還是網(wǎng)絡(luò)主機，其傳輸都是類似的，我們今天就以源頭為文件進行說明。

[[408547]]

一個文件要從磁盤到我們的內(nèi)存，需要經(jīng)過很復(fù)雜的操作。首先，需要將數(shù)據(jù)從硬件讀取出來，然后放入操作系統(tǒng)內(nèi)核緩沖區(qū)，之后再將數(shù)據(jù)拷貝到程序緩沖區(qū)，最后應(yīng)用程序才能讀取到這個文件。簡單地說，無論什么 IO 模型，其讀取過程總會經(jīng)歷下面兩個階段：

等待數(shù)據(jù)到達內(nèi)核緩沖區(qū)
從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝數(shù)據(jù)到程序緩沖區(qū)

而我們 Linux 根據(jù)這兩個階段的是否阻塞，分成了 5 個經(jīng)典的 IO 的模型，分別是：

阻塞 IO 模型
非阻塞 IO 模型
IO 復(fù)用模型
信號驅(qū)動 IO 模型
異步 IO 模型

阻塞 IO 模型

阻塞 IO 稱為 Blocking IO，簡稱 BIO。在阻塞 IO 模型中，當進程發(fā)起一個讀取文件請求(recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用)時，如果內(nèi)核緩存區(qū)沒有對應(yīng)的數(shù)據(jù)，那么它不會立刻恢復(fù)，而是去讀取磁盤數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)讀取完畢后，再返回給進程。此時，第一個階段完成。在這個階段進程是阻塞的，因為它要等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)。

而當進程收到內(nèi)核的響應(yīng)之后，進程再把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到程序緩沖區(qū)，最后完成文件讀取操作。此時，第二個階段完成。在這個階段進程也是阻塞的，因為它要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到程序緩沖區(qū)。

簡單地說：在阻塞 IO 模型里，從硬件到系統(tǒng)內(nèi)核、從系統(tǒng)內(nèi)核到程序空間，都是阻塞的。

非阻塞 IO 模型

在非阻塞 IO 模型下，當一個請求發(fā)起讀取文件請求(recvfrom)時，如果內(nèi)核緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)，那么內(nèi)核會讀取文件數(shù)據(jù)。但此時請求并不會阻塞，而是返回一個錯誤信息(EWOULDBLOCK)告訴進程：數(shù)據(jù)暫時還沒準備好，你待會兒再試試。

于是進程就不斷地向內(nèi)核重試，問：數(shù)據(jù)準備好了沒有，數(shù)據(jù)準備好了沒有……當內(nèi)核準備好數(shù)據(jù)，進程就會收到對應(yīng)消息，于是第一階段就結(jié)束了。非阻塞 IO 中的非阻塞說的就是進程不會阻塞在這里，而是會不斷重試。

雖然說這樣并沒有太大用處，反而會使得 CPU 空轉(zhuǎn)，但總比之前有了一點進步。在這個階段進程并不是阻塞的。當進程得知內(nèi)核準備好數(shù)據(jù)之后，其便會將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到程序緩沖區(qū)。這個階段與阻塞 I/O 模型是完全一樣的，同樣是會導致進程阻塞。

簡單地說：在非阻塞 IO 模型里，從硬件到系統(tǒng)內(nèi)核、從系統(tǒng)內(nèi)核到程序空間，同樣都是阻塞的。但是其比阻塞 IO 爭氣了一點，并不是站在那里不動，好歹還跑了一下。雖然是在做無用功，但是好歹提高了一丟丟效率。

IO 復(fù)用模型

IO 復(fù)用之所以叫復(fù)用，是因為其能同時操作多個數(shù)據(jù)流。而前面的阻塞 IO、非阻塞 IO 同一時間只能操作一個數(shù)據(jù)流。在 IO 復(fù)用模型中，進程監(jiān)聽多個數(shù)據(jù)流并阻塞，當任何一個數(shù)據(jù)流有數(shù)據(jù)之后，其便會收到內(nèi)核的響應(yīng)。此時，第一個階段完成，在這個階段進程其實是阻塞的。

而當收到內(nèi)核的響應(yīng)后，進程便會將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到程序緩沖區(qū)。這個階段與上面兩個模型一模一樣，進程同樣阻塞。

簡單地說：IO 復(fù)用模型在第二階段與阻塞 IO 和非阻塞 IO 是完全一致的。但是在第一階段上，其有效率上的巨大提升，其能同時輪詢多個數(shù)據(jù)流，提高了效率。

信號驅(qū)動 IO 模型

信號驅(qū)動與前面幾個模型的不同之處就在于信號這個詞。信號驅(qū)動 IO 在第一階段，即數(shù)據(jù)到達內(nèi)核緩沖區(qū)之前，進程是不阻塞的，而是設(shè)置一個信號回調(diào)。當數(shù)據(jù)到達內(nèi)核緩沖區(qū)之后，內(nèi)核調(diào)用程序的回調(diào)。通過這種方式，信號驅(qū)動 IO 下的進程就可以不阻塞，可以去做其他事情了。

而當進程收到信號，進程再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到程序緩沖區(qū)。這個過程與上面幾個是完全一樣的，同樣也是阻塞的。

信號驅(qū)動 IO 可以說是 IO 讀取的一個里程碑，其真正實現(xiàn)了異步讀取數(shù)據(jù)。信號驅(qū)動 IO 其二個階段，與上面幾個是一樣的。但是其在第一個階段做到了真正的異步。信號驅(qū)動 IO 在第一階段，其去請求內(nèi)核讀取數(shù)據(jù)，這時候其不會阻塞，也不會去尋輪，而是設(shè)置一個信號回調(diào)。當數(shù)據(jù)完全拷貝到系統(tǒng)內(nèi)核時，系統(tǒng)發(fā)出 SIGIO 信號，通知進程去進行第二階段，將數(shù)據(jù)拷貝到程序緩沖區(qū)。

異步 IO 模型

異步 IO 相比前面幾個流程，真正做到了完全非阻塞。無論是在第一階段，還是在第二階段都是非阻塞。與信號驅(qū)動 IO 類似，異步 IO 模型通過信號回調(diào)的方式，在第一個階段實現(xiàn)了進程的非阻塞。而當數(shù)據(jù)到達內(nèi)核緩沖區(qū)之后，進程便會收到通知。

而當進程收到通知之后，進程再次將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到進程緩沖區(qū)，但這時進程并不等待，而是同樣設(shè)置一個信號回調(diào)。當復(fù)制完成后，進程收到通知，再進行相應(yīng)的處理。