Linux中常用的五种I/O模型是:阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O复用(select、poll、epoll)、信号驱动I/O和异步I/O。
- 阻塞I/O(Blocking I/O):应用程序在进行I/O操作时,会一直阻塞等待直到数据准备就绪才返回。在这个过程中,CPU会被释放,可以处理其他任务。但是,阻塞I/O可能导致应用程序长时间等待,不能充分利用CPU资源。
- 非阻塞I/O(Non-Blocking I/O):应用程序进行I/O操作时,如果数据没有准备好,系统调用会立即返回,不会阻塞等待。这样应用程序可以立即返回处理其他任务,但需要不断地进行轮询来检查数据是否准备就绪,造成CPU资源的浪费。
- I/O复用(I/O Multiplexing):使用select、poll或epoll这些系统调用可以同时监视多个I/O事件。应用程序调用这些系统调用后,系统会把应用程序阻塞,直到任一被监视的I/O事件就绪,然后返回就绪的I/O事件和相关数据。这样可以实现在单线程下同时处理多个连接。
- 信号驱动I/O(Signal Driven I/O):应用程序在进行I/O操作时,向内核注册一个信号处理函数,然后继续执行其他任务。当数据准备就绪时,内核会发送一个信号给应用程序,执行注册的信号处理函数来处理数据。
- 异步I/O(Asynchronous I/O):应用程序发起一个I/O操作后,不需要等待操作完成就可以继续执行其他任务。当I/O操作完成后,内核会通知应用程序。异步I/O通过事件驱动回调的方式来处理I/O事件。
下面是这五种I/O模型的异同点:
异同点:
- 阻塞I/O和非阻塞I/O是面向文件描述符的I/O模型;I/O复用、信号驱动I/O以及异步I/O是面向事件的I/O模型。
- 阻塞I/O和非阻塞I/O都需要应用程序主动轮询或阻塞,而I/O复用、信号驱动I/O和异步I/O都是由内核等待就绪,通知应用程序进行I/O操作。
- 阻塞I/O每次操作只能处理一个I/O请求,而非阻塞I/O可以发起多个I/O请求,但需要不断轮询。
- I/O复用可以同时监视多个I/O事件,使用一个线程监听多个连接,提高了效率。
- 信号驱动I/O使用信号机制来通知应用程序I/O事件的就绪,相对于I/O复用省去了轮询的过程,但是信号处理函数需要处理复杂的情况。
- 异步I/O可以在I/O操作发起后,不需要阻塞等待操作完成就可以继续执行其他任务。内核会在I/O操作完成后通知应用程序,适用于具有高并发的场景。
总结:
不同I/O模型适用于不同场景,使用合适的I/O模型可以提高系统性能和可伸缩性。
- 阻塞I/O适用于单线程环境,在I/O操作期间会阻塞等待数据准备就绪,适合串行处理任务。
- 非阻塞I/O适用于多线程或多进程环境,可以在等待数据时执行其他任务,但需要不断轮询以检查数据准备情况。
- I/O复用适用于大量并发连接的情况,可以有效地利用单线程在长时间等待中同时处理多个I/O事件。
- 信号驱动I/O通过注册信号处理函数,在数据准备就绪时触发信号处理,不需要轮询,适用于具有较少并发连接的场景。
- 异步I/O适用于需要高并发处理的场景,发起I/O操作后,可以立即执行其他任务,完成后使用回调函数处理操作结果。