OS | IO模型

Coder2021
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1、一般的IO过程

  • 等待数据准备好，比如socket，等待数据到达内核（TCP协议栈是内核管理的啊！）
  • 将数据从内核缓冲区拷贝到应用进程缓冲区。

读写事件：

  • 有数据了，可以读了，是读事件。
  • 数据区满了就没法写了，当数据区有空间了，可以写了，是写事件。

IO种类：内存IO，磁盘IO，缓存IO，网络IO。

一般是网络IO才需要等待，才需要多路复用；

2、IO模型

同步（synchronous）IO：在IO事件就绪后自己负责进行IO，也就是说这个IO过程是阻塞的，直到IO完成； 阻塞、非阻塞、IO复用都是同步IO；

异步（asynchronous）IO：启动IO时，如果数据还没准备好则直接返回，当数据准备好时，内核将数据copy到应用进程，一切搞定后，再通知应用进程read操作完成了；

阻塞（blocking）IO：数据没有准备好就一直阻塞等待；

非阻塞（non-blocking）IO：数据没准备好时，会返回错误给你，不会阻塞你。所以你需要不断轮询，看数据是否准备好了；（浪费CPU） 当数据准备好了，调用system call将数据从内核copy到应用进程时，这时进程会被阻塞。可以看出，非阻塞不是异步，异步是完全不会被阻塞的；

IO多路复用（multiplexing）：也叫event driven IO。单个进程监听多个描述符，当某个描述符数据准备好了，就通知应用进程；也是阻塞的，当一个或多个描述符数据准备好了，才被唤醒。 另一个表述：监听多个事件，当一个或多个事件发生时，才唤醒进程；

什么叫复用？重复使用，单个进程管理多个IO，也就是多个IO重复使用一个进程；

BIO（同步阻塞） NIO（同步非阻塞） AIO（异步非阻塞）

另一个表述：监听多个事件，当一个或多个事件发生时，才唤醒进程；

3、IO多路复用的优势

  • I/O多路复用的优势并不是对于单个连接能处理的更快，而是在于可以在单个线程/进程中处理更多的连接。 那多个连接要并发，还是需要多线程啊？
  • 与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，自然也就不需要线程切换了，从而大大减小了系统的开销。

4、select poll epoll的比较

这三个都是系统调用，内核帮你监听；

（1）select

原型：int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout); fd_set就是fd数组；返回值是就绪fd的个数；（fd_set虽然是指针，但还是会发生内存拷贝，用户态-->内核态）

内核不能信任任何用户空间的指针。必须对用户空间的指针指向的数据进行验证。如果只做验证不做拷贝的话，那么在随后的运行中要随时受到其它进／线程可能修改用户空间数据的威胁。所以必须做拷贝。

运行机制： 将fd_set拷贝进内核，内核帮你监听和遍历，遍历结束后，当有一个或多个fd就绪，内核就将 fd_set 从内核空间拷贝到用户空间，并通知你有fd就绪了，然后你自己再去轮询找哪个是就绪的。

缺点：

  • fd采用数组结构，数量有限制，最多是1024；
  • 每次调用select需要将所有fd从用户态copy到内核态，开销巨大；
  • 某个fd就绪了，会通知你，但是不会告诉你是那个就绪了，你需要遍历所有fd；
（2）poll

原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

运行机制： 和select一样，只是fd采用链表结构，数量不限制了；其他缺点都存在；

（3）epoll

运行机制： 监听一组fd，当有一个或多个fd就绪时，会通知你，并告诉你哪些fd是就绪的；

优点：

  • fd数量不限制，上限是进程的最大可以打开文件数；
  • 每个fd定义一个类似回调的函数，来实现只有就绪的fd才会执行回调函数。那么应用进程就不需要遍历所有fd了；
  • 省去不必要的内存拷贝：epoll 通过内核与用户空间 mmap 同一块内存实现。
for true{
	[就绪fd] = epoll_wait(epoll_fd) //阻塞
	
	//有fd就绪
	for i in [就绪fd]{
		读写操作
	}
}
（4）触发机制

水平触发（LT）：默认工作模式，即当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件；下次调用epoll_wait时，会再次通知此事件

边缘触发（ET）： 当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次通知此事件。（直到你做了某些操作导致该描述符变成未就绪状态了，也就是说边缘触发只在状态由未就绪变为就绪时只通知一次）。

select/poll只有水平触发，epoll两者都有；

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