I/O介紹

I/O通常有內(nèi)存IO、網(wǎng)絡(luò)I/O、磁盤I/O等，但我們通常說的是網(wǎng)絡(luò)I/O以及磁盤I/O。網(wǎng)絡(luò)I/O：本質(zhì)是socket讀取

每次I/O請(qǐng)求，都會(huì)有兩個(gè)階段組成： 第一步：等待數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)從磁盤到內(nèi)核內(nèi)存；將數(shù)據(jù)從磁盤文件先加載到內(nèi)核內(nèi)存空間（緩沖區(qū)），等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，時(shí)間較長(zhǎng)。第二步：復(fù)制數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)內(nèi)核內(nèi)存到進(jìn)程內(nèi)存；將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖復(fù)制到用戶空間的進(jìn)程內(nèi)存中，時(shí)間較短。

Web請(qǐng)求處理過程

1.客戶端發(fā)起情況到服務(wù)器網(wǎng)卡

2.服務(wù)器網(wǎng)卡接受到請(qǐng)求后轉(zhuǎn)交給內(nèi)核處理

3.內(nèi)核根據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的套接字，將請(qǐng)求交給工作在用戶空間的Web服務(wù)器進(jìn)程

4.Web服務(wù)器進(jìn)程根據(jù)用戶請(qǐng)求，向內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，申請(qǐng)獲取相應(yīng)資源（如：客戶端獲取圖片）

5.內(nèi)核發(fā)現(xiàn)Web服務(wù)器進(jìn)程請(qǐng)求的是一個(gè)存放在本地硬盤上的資源，因此通過驅(qū)動(dòng)程序連接磁盤

6.內(nèi)核調(diào)用磁盤，獲取需要的資源

7.內(nèi)核將資源存放在自己的緩存區(qū)中，并通知Web服務(wù)器進(jìn)程

8.Web服務(wù)器進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用取得資源，并將其復(fù)制到進(jìn)程自己的緩沖區(qū)中

9.Web服務(wù)器進(jìn)程形成響應(yīng)，通過系統(tǒng)調(diào)用再次發(fā)給內(nèi)核以響應(yīng)請(qǐng)求

10.內(nèi)核將響應(yīng)發(fā)送至網(wǎng)卡

11.網(wǎng)卡發(fā)送響應(yīng)給用戶

通過這樣的一個(gè)復(fù)雜過程，一次請(qǐng)求就完成了

簡(jiǎn)單來說就是：

用戶請(qǐng)求——》送達(dá)用戶空間——〉系統(tǒng)調(diào)用——》內(nèi)核空間——〉內(nèi)核到磁盤上讀取圖片資源——》返回到用戶空間——〉響應(yīng)給用戶

上述簡(jiǎn)單的說明了一下，客戶端向Web服務(wù)器請(qǐng)求過程，在這個(gè)過程中，有兩個(gè)I/O過程：一是客戶端請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)I/O，二個(gè)是Web服務(wù)器請(qǐng)求圖片磁盤I/O。

I/O模型名詞介紹

說到I/O模型，都會(huì)牽扯到同步、異步、阻塞、非阻塞這幾個(gè)詞，以下講解這幾個(gè)詞的概念。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞指的是執(zhí)行一個(gè)操作時(shí)等操作結(jié)束再返回結(jié)果，還是馬上返回結(jié)果。

阻塞（blocking）：指IO操作需要徹底完成后才返回到用戶空間，調(diào)用結(jié)果返回之前，調(diào)用者被掛起（當(dāng)前線程進(jìn)入非可執(zhí)行狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)，CPU不會(huì)分配時(shí)間片，線程暫停運(yùn)行）只有到到結(jié)果才進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)；

阻塞例子：海底撈的服務(wù)器為你點(diǎn)菜，當(dāng)你點(diǎn)完菜后，服務(wù)員把消息傳到后廚，這時(shí)你就在餐桌上等待，直到廚師把湯鍋和配菜都準(zhǔn)備好以后送到你桌上，你才能開吃。在上菜的過程中你還不能離開，因?yàn)槟汶x開了之后服務(wù)員上菜了卻找不到你人，所以你就是能等待，這個(gè)時(shí)候你處于阻塞等待狀態(tài)，就是前面說的，你是調(diào)用者，你被掛起了，進(jìn)入了非可執(zhí)行狀態(tài)。

非阻塞（nonblocking）：指I/O操作被調(diào)用后立即返回給用戶一個(gè)狀態(tài)值，無需等到I/O操作徹底完成，最終的調(diào)用結(jié)果返回之前，調(diào)用者不會(huì)被掛起；

非阻塞例子：海底撈的服務(wù)器為你點(diǎn)菜，當(dāng)你點(diǎn)完菜后，服務(wù)員把消息傳到后廚，過了三分鐘，你跑到后廚問，我的鍋底或者肥牛卷好了沒有？后廚說沒好，然后你去處理其它事情，然后又過了五分鐘，你又跑到后廚問，我的某個(gè)菜好了沒有，如果沒有，你還是繼續(xù)做其他事情，然后等會(huì)再問一次，這個(gè)時(shí)候就是在I/O操作的同時(shí)，你沒有被掛起，可以操作其他事情，但是如果I/O操作完成，你需要立馬接受。

同步和異步

同步/異步關(guān)注的是消息通信機(jī)制

同步（synchronous）：調(diào)用者等待被調(diào)用者返回消息，才能繼續(xù)執(zhí)行。同步阻塞例子：去餐館吃飯，點(diǎn)了一個(gè)蓋澆飯，然后在餐桌上一直等到蓋澆飯做好，自己端到餐桌就餐。這就是典型的同步阻塞。當(dāng)廚師給你做飯的時(shí)候，你需要一直在那里等著。

同步非阻塞例子：去餐館吃飯，點(diǎn)了一個(gè)蓋澆飯，你點(diǎn)完飯之后，過了幾分鐘感覺時(shí)間差不多了，就去問老板飯做好了沒有，如果好了就去端，如果沒好等一會(huì)再去問，實(shí)時(shí)同步做飯進(jìn)度，依次循環(huán)去問直到飯做好，這就是同步非阻塞。 異步（asynchronous）：被調(diào)用者通過狀態(tài)、通知或回調(diào)機(jī)制主動(dòng)通知調(diào)用者被調(diào)用者的運(yùn)行狀態(tài)。

I/O模型類型

IO模型分為以下五類

1.阻塞型：所有過程全阻塞

2.非阻塞型：如果沒有數(shù)據(jù)buffer，則立即返回EWOULDBLOCK

3.I/O復(fù)用型（select和poll）：在wait和copy階段分別阻塞

4.信號(hào)驅(qū)動(dòng)型I/O（SIGIO）：在wait階段不阻塞，但copy階段阻塞（信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O），即通知

5.異步I/O（AIO）：完全無阻塞方式，當(dāng)I/O完成時(shí)提供信號(hào)

阻塞I/O

說明：應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)IO的recvfrom函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞，進(jìn)入阻塞狀態(tài)后直到I/O操作結(jié)束才會(huì)返回；如果系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，那就一直等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，因?yàn)槭钦{(diào)用了recvfrom函數(shù)導(dǎo)致了應(yīng)用程序阻塞，所以一直在等，做不了任何事情，內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間，拷貝結(jié)束后，I/O函數(shù)返回成功指示。注：其阻塞時(shí)在I/O操作階段

非阻塞I/O

說明：用戶線程發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)立即返回。但并未讀取到任何數(shù)據(jù)，則返回字段為“EWOULDBLOCK”，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請(qǐng)求，直到數(shù)據(jù)到達(dá)后，才真正讀取到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行。即“輪詢”機(jī)制。整個(gè)IO請(qǐng)求過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起IO請(qǐng)求后可以立即返回，但是為了等到數(shù)據(jù)。仍需要不斷地輪詢、重復(fù)請(qǐng)求、消耗了大量的CPU資源；是比較浪費(fèi)CPU的方式，一般很少用這種模型，而是在其他模型中使用非阻塞IO這一特性。

I/O復(fù)用（select和poll）

說明：I/O復(fù)用模型會(huì)用到select或poll函數(shù)，在I/O復(fù)用模型中，并不是阻塞到I/O操作過程中，而是阻塞到select或者poll函數(shù)中；以select為例：進(jìn)程在select處阻塞，等待幾個(gè)描述符中的一個(gè)變?yōu)榭刹僮鳎绻麤]等待到就繼續(xù)阻塞在第一階段，如果等到了一個(gè)描述符變?yōu)榱丝刹僮鳎瑒t調(diào)用recvfrom函數(shù)將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O（SIGIO）

說明：首先，我們?cè)试S套接口進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O，并安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)SIGIO，如果數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，則立即返回結(jié)果，進(jìn)程繼續(xù)工作并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)主動(dòng)發(fā)送一個(gè)SIGIO信號(hào)給應(yīng)用程序，應(yīng)用程序收到信號(hào)后，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)recvfrom進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O模型的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)時(shí)，可以不阻塞，主循環(huán)可以繼續(xù)執(zhí)行，只是等待處理程序的通知，或者數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好被處理，或者數(shù)據(jù)報(bào)已經(jīng)準(zhǔn)備好被讀了。

異步I/O（AIO）

說明：當(dāng)一個(gè)異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實(shí)際處理這個(gè)調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)通知和回調(diào)通知來告訴調(diào)用者的輸入輸出操作。用戶可以直接對(duì)I/O執(zhí)行讀寫操作，這些操作告訴內(nèi)核用戶讀寫緩沖區(qū)的位置，以及I/O操作完成之后內(nèi)核通知應(yīng)用程序的方式，就是上面講的通過狀態(tài)通知或者回調(diào)通知來告訴調(diào)用者。異步I/O的讀寫操作總是立即返回，但沒有返回結(jié)果說是否阻塞，因?yàn)楫惒絀/O操作真正的讀寫操作已由內(nèi)核接管，內(nèi)核自己對(duì)數(shù)據(jù)處理完成后生成一個(gè)信號(hào)，然后通知用戶剛才交給自己的事件已經(jīng)處理完成。

五種I/O模型的總結(jié)及比較

中文圖示如下：

英文圖示如下：

從兩張圖中我們可以看到，越往后，阻塞越少，理論上效率也是最優(yōu)。其中五種I/O模型中，前三種屬于同步I/O，后兩者屬于異步I/O。

同步I/O

阻塞I/O 非阻塞I/O I/O復(fù)用（select和poll）

異步I/O

信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O（SIGIO） 半異步 異步I/O（AIO） 全異步

異步I/O和信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O的區(qū)別

信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O模式下，內(nèi)核可以復(fù)制的時(shí)候通知給我們應(yīng)用程序發(fā)送SIGIO信號(hào)。異步I/O模式下，內(nèi)核在所有的操作由內(nèi)核操作完成后才會(huì)通知我們的應(yīng)用程序。