IO Model

I / O 模型

I / O 模型的概念大概有：阻塞 / 非阻塞 / 同步 / 异步

一个用户进程发起 I/O 请求的例子：

Linux内核会将所有的外部设备当作一个文件来操作，与外部设备的交互均可等同于对文件进行操作。
即文件的读写都是通过系统调用进行的。

Linux内核通过 file descriptor处理本地文件的读写， socket file descriptor 处理 Socket 网络读写
那么， I/O将会涉及两个系统对象，一个是调用它的用户线程(or thread)，另一个是系统内核 (kernel)

一个读写操作：
1. 用户进程调用 read 方法向内核发起读请求b并等待就绪
2. 内核将要读取的数据复制到文件描述所指向的内核缓存区 （系统准备 IO 数据）
3. 内核将数据从内核缓存区复制到用户的进程空间

阻塞 vs 非阻塞

阻塞 ( Blocking IO )：用户发起 I/O 操作后，需要等待其操作完成之后才能继续运行
- 特点：阻塞式 I/O 模型简单。易于理解，但性能差，会照成用户 CPU 大量闲置
- 优化：可以采用多线程的方式进行请求调用，但并不能解决根本问题

非阻塞 ( No-Blocking IO )：用户进程发起 I/O 操作后，无需等待操作完成，会直接返回调用结果，即如果数据没有准备好，会直接返回失败，这就需要用户进程要定期轮询 I/O 是否就绪
- 特点：能立即得到返回结果，当使用一个线程去处理 socket 请求，可以极大减少线程数量。但用户线程会不断轮询会增加额外的 CPU 的资源开销

总结：阻塞 IO 与非阻塞 IO 的本质区别主要在于用户程序是否再等待调用结果（继续等待还是得到结果先处理其他事情）

同步 IO vs 异步 IO

同步 IO ( Synchronous IO ) ：当系统内核将处理数据操作准备完毕之后，会主动读取内核数据，用户进程需要等待内核将数据复制到用户进程之后，再进行处理

IO 多路复用 ( IO- Multiplexing )：可以监视多个描述符，一旦某个描述符读写操作就绪，就可以通知程序进行相应的读写操作

应用：Linux中使用的 I/O 多路复用机制：select， poll，epoll ( event driven IO），尽管实现的方式不同，但都属于同步 IO，它们都需要在读写事件就绪后，再自己进行读写的操作，内核向用户进程复制数据的过程仍然是阻塞的。

特点：尽管使用了事件驱动判断就绪，但与 Blocking-IO 并没有什么太大的不同，甚至在读取的过程中，因为会使用到两个 system call ( select， recvfrom)，相比于 blocking-io 的一个 recvfrom，可能在连接数不高的情况下，性能会更差。但有了 select 的优势就在于系统可以同时处理多个 connnection，效率更高。

异步 IO ( Asynchronous IO ) : 当用户进程发起 IO 请求后，会直接返回请求成功，等到再接受到内核的 signal 通知的时候， IO 操作已经完成了

非阻塞 ( no-blocking io ) vs 异步io ( asynchronous io )

no-blocking io：虽然大部分时间都不会 block （loop check data ready），但内核数据准备好之后，还是需要主动调用 recvfrom 系统调用进行数据的复制，这期间 process block

asynchronous io：整个过程会将任务交由内核处理，直到 IO done，才会向用户进程发送信号通知成功

总结：同步 IO 和异步 IO的本质区别在于内核数据复制到用户空间的时候用户线程是否阻塞等待

大总结

发布于 2019-09-18

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