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一口气说出 5 种 IO 模型,蒙圈了!

来源:https://zhuanlan.zhihu.com/p/127170201

作者:噜噜呀

文章相关代码已收录至我的 github,欢迎star:https://github.com/lsylulu/myarticle

有一说一,无套路系统学习下Linux的五种IO模型,顺便献上我的陈年老笔记~

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。

五、信号驱动IO模型

跑KFC嫌麻烦,刚好有个会员,直接点份外卖,美滋滋。当外卖送达时,会收到取餐电话(信号)。在收到取餐电话之前,我可以愉快地吃鸡或者学习。

当数据报准备好的时候,内核会向应用程序发送一个信号,进程对信号进行捕捉,并且调用信号处理函数来获取数据报。

该模型也分为两个阶段:

  • 数据准备阶段:未阻塞,当数据准备完成之后,会主动的通知用户进程数据已经准备完成,对用户进程做一个回调。
  • 数据拷贝阶段:阻塞用户进程,等待数据拷贝。

六、异步IO模型

此时科技的发展已经超乎想象了,外卖机器人将全家桶自动送达并转换成营养快速注入我的体内,同时还能得到口感的满足。注入结束后,机器人会提醒我注入完毕。在这个期间我可以放心大胆的玩,甚至注射的时候也不需要停下来!

类比一下,就是用户进程发起系统调用后,立刻就可以开始去做其他的事情,然后直到I/O数据准备好并复制完成后,内核会给用户进程发送通知,告诉用户进程操作已经完成了。

特点:

  1. 异步I/O执行的两个阶段都不会阻塞读写操作,由内核完成。
  2. 完成后内核将数据放到指定的缓冲区,通知应用程序来取。

七、Java中的BIO,NIO,AIO

操作系统的IO模型是底层基石,Java对于IO的操作其实就是进一步的封装。适配一些系统调用方法,让我们玩地更爽。 BIO,NIO,AIO涉及相关实操代码已收录至我的github,欢迎star~

7.1 BIO--同步阻塞的编程方式

JDK1.4之前常用的编程方式。 实现过程:首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求,客户端启动Socket发起网络请求,默认情况下ServerSocket会建立一个线程来处理此请求,如果服务端没有线程可用,客户端则会阻塞等待或遭到拒绝,并发效率比较低。

服务器实现的模式是一个连接一个线程,若有客户端有连接请求服务端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。当然,也可以通过线程池机制改善。

使用场景

BIO适用于连接数目比较小且固定的架构,对服务器资源要求高,并发局限于应用中。

7.2 NIO--同步非阻塞的编程方式

7.2.1 NIO简介

NIO 本身是基于事件驱动思想来完成的,当 socket 有流可读或可写入时,操作系统会相应地通知应用程序进行处理,应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。一个有效的请求对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作线程来处理的。

服务器实现模式为一个请求一个通道,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处

使用场景

NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局限于应用中,编程复杂,JDK1.4 开始支持。

7.2.2 NIO中的几种重要角色

有缓冲区Buffer,通道Channel,多路复用器Selector。

7.2.2.1 Buffer

在NIO库中,所有数据都是用缓冲区(用户空间缓冲区)处理的。在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的;在写入数据时,也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据,都是通过缓冲区进行操作。 缓冲区实际上是一个数组,并提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

Buffer的应用固定逻辑

相关的代码我会更新至github~

写操作顺序

  1. clear()
  2. put() -> 写操作
  3. flip() ->重置游标
  4. SocketChannel.write(buffer); ->将缓存数据发送到网络的另一端
  5. clear()

读操作顺序

  1. clear()
  2. SocketChannel.read(buffer); ->从网络中读取数据
  3. buffer.flip()
  4. buffer.get() ->读取数据
  5. buffer.clear()
7.2.2.2 Channel

nio中对数据的读取和写入要通过Channel,它就像水管一样,是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的,可以用于读、写和同时读写操作。

7.2.2.3 Selector

多路复用器,用于注册通道。客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理

7.3 AIO--异步非阻塞编程方式

进行读写操作时,只须直接调用api的read或write方法即可。一个有效请求对应一个线程,客户端的IO请求都是OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

使用场景

从效率上来说,可以简单理解为阻塞IO<非阻塞IO<多路复用IO<信号驱动IO<异步IO。从同步和异步来说,只有异步IO模型是异步的,其他均为同步。

总结

从效率上来说,可以简单理解为阻塞IO<非阻塞IO<多路复用IO<信号驱动IO<异步IO。从同步和异步来说,只有异步IO模型是异步的,其他均为同步。

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