Unix网络编程笔记IO模型

本文内容来自《UNIX网络编程 卷1：套接字联网API》

I/O 模型

unix系统共有5种I/O模型

1. 阻塞式IO

2. 非阻塞式IO

3. IO多路复用

4. 信号驱动式IO

5. 异步IO

一个输入操作通常包括两个不同的阶段：

1. 等待数据准备好

2. 从内核向进程复制数据

对应一个套接字上的操作，第一步通常涉及数据从网络到达，当所有数据到达时，它被复制到内核的某个缓冲区。第二步就是从内核缓冲区复制到用户进程的缓冲区。

一、阻塞式IO

最流行IO是阻塞式IO，如下图所示，用户进程调用recvfrom,recvfrom系统调用直到数据复制到用户进程缓冲区或发生错误才返回。整段时间用户进程是被阻塞的。

二、非阻塞式IO

进程把一个套接字设置成非阻塞是通知内核：当所有请求的IO操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把本进程投入睡眠。而是返回一个错误。

前三次调用recvfrom都没有返回，因此内核直接返回一个EWOULDBLOCK错误，第四次调用recvfrom时数据已经准备好，然后被复制到应用进程缓冲区。于是recvfrom成功返回。

当一个应用进程对非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮询(polling),应用进程持续轮询内核以查看某个操作是否就绪，这样做往往耗费大量CPU时间。这种模型偶尔会用到。

三、IO多路复用

有了IO多路复用（IO multiplexing）,我们就可以调用select或poll，阻塞在这两个系统调用中的某一个之上，而不是阻塞在真正的IO系统调用上。

我们阻塞在select，等待数据报套接字变成可读，当select返回套接字可读这一条件是，我们调用recvfrom把数据复制到应用进程缓冲区。

事实上由于使用select复制数据需要两个系统调用而不是之前的一个，似乎还有劣势，其实select的优势在于，我们可以用select在等待多个描述符就绪。

四、信号驱动IO模型

我们也可以用信号，让内核在描述符就绪时发生SIGIO通知我们，这就是信号驱动式IO，如下图

我们首先开启套接字的信号驱动式IO功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数，该系统调用立即返回。进程继续工作。当数据报就绪时，内核为该进程产生一个SIGIO信号，进程可以通过在信号处理函数中调用recvfrom读取数据。也可以通知主循环让他读取数据报。

无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达期间不被阻塞，主循环可以继续执行。

五、异步IO模型

异步IO由POSIX规范定义，一般来说的工作机制是：告诉内核启动某个操作（包括数据从内核复制到进程缓冲区），并让内核在整个操作完成后通知我们。

这一模型与信号驱动IO模型的区别在于，信号驱动IO是内核通知我们何时可以启动一个IO，而异步IO通知我们IO操作何时完成。

我们调用aio_read函数，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小（同read）和文件偏移（同lseek），并告诉内核在整个操作完成后通知我们。

该系统调用立即返回，而且在等待IO完成期间，进程不会被阻塞。

该信号直到数据被复制到应用进程缓冲区才产生，这一点与信号驱动IO不同。

各种IO模型的比较

前四种模型的主要区别在第一阶段，他们的第二阶段是一样的。

异步IO模型两个阶段都是异步非阻塞的。因此与前面四个模型不同。

POSIX把下面两个定义为：

同步IO操作：导致请求进程阻塞，指定IO操作完成

异步IO操作：不导致请求进程阻塞

从上面的定义来看，前面四种模型都是同步IO模型，因为recvfrom是阻塞的，只有最后一种是异步IO模型