《LINUX教程：Linux下的I/O模型以及各自的優缺點》要點：
本文介紹了LINUX教程：Linux下的I/O模型以及各自的優缺點，希望對您有用。如果有疑問，可以聯系我們。

其實關于這方面的知識,我閱讀的是《UNIX網絡編程:卷一》,書里是以UNIX為中心展開描述的,根據這部門知識,在網上參考了部門資料.以Linux為中心整理了這篇博客.

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Linux的I/O模型

和Unix的I/O模型根本一致,Linux下一共有5種I/O模型_[1]

• 阻塞式I/O模型；
• 非阻塞式I/O模型；
• I/O復用式模型；
• 信號驅動動式I/O模型
• 異步I/O模型

上面這個列表,算是絕大部門關于Linux I/O模型博客中都會貼出來的.

在上述５種I/O模子中,前4種,其實都可以劃分為同步I/O方式,只有最有一種異步I/O模子才使用異步I/O方式.
為什么這么劃分呢,就得仔細看看這5種I/O模子到底是什么.

行文須知

下文中對各個模型的描述,都是使用數據報(UDP)套接字作為例子進行說明的.
因為UDP相對與TCP來說比擬簡單——要么整個數據報已經收到,要么還沒有——而對于TCP來說,套接字低水位標記等額外變量開始起作用,導致整個概念變得復雜.(加粗字體的內容在寫這篇博客時,并沒有搞清楚是什么,可能后續會陸續搞懂)

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一、阻塞式I/O

通常我們使用的I/O都是阻塞式I/O,在編程時使用的年夜多數也是阻塞式I/O.在默認情況下,所有的套接字(socket)都是阻塞的.下圖解釋了阻塞式I/O模型的流程

上圖中,我們說從調用recvfrom開始到它返回的整段時間內是被阻塞的,recvfrom勝利返回后,引用程序才開始處理數據報.

阻塞式I/O的優缺點

優點：
阻塞式I/O很容易上手,一般程序依照read-process的順序進行處理就好.通常來說我們編寫的第一個TCP的C/S程序就是阻塞式I/O模型的.并且該模型定位錯誤,在阻塞時整個進程將被掛起,基本不會占用CPU資源.
缺點:
該模型的缺點也十分明顯.作為服務器,需要處理同時多個的套接字,使用該模型對具有多個的客戶端并發的場景時就顯得力不從心.
當然也有補救方法,我們使用多線程技術來彌補這個缺陷.但是多線程在具有大量連接時,多線程技術帶來的資源消耗也不容小看：

如果我們現在有1000個連接時,就必要開啟1000個線程來處理這些連接,于是就會出現下面的情況

• 線程有內存開銷,假設每個線程必要512K的存放棧,那么1000個連接就必要月512M的內存.當并發量高的時候,這樣的內存開銷是無法接受的.
• 線程切換有CPU開銷,這個CPU開銷體現在上下文切換上,如果線程數越多,那么大多數CPU時間都用于上下文切換,這樣每個線程的時間槽會非常短,CPU真正處理數據的時間就會少了非常多.

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二、非阻塞式I/O

有阻塞I/O,那么也會有非阻塞I/O,在上文說過默認情況下,所有的套接字都是阻塞的,那么通過設置套接字的NONBLOCK(一般在open(),socket()等調用中設置)標志或者設置recv、send等輸入輸出函數的MSG_DONTWAIT標志就可以實現非阻塞操作.
那我們來看看非阻塞I/O模型的運行流程吧

可以看到,前三次recvfrom時沒有數據可以返回,此時內核不阻塞進程,轉而立即返回一個EWOULDBLOCK差錯.第四次調用recvfrom時已經有一個數據報準備好了,此時它將被復制到應用進程的緩沖區,于是recvfrom調用成功返回.
當一個應用進程像這樣對一個非阻塞描述符循環調用recvfrom時,我們稱之為輪詢(polling)

非阻塞式I/O的優缺點

優點：
這種I/O方式也有明顯的優勢,即不會阻塞在內核的等待數據過程,每次發起的I/O哀求可以立即返回,不用阻塞等待.在數據量收發不均,等待時間隨機性極強的情況下比較常用.
缺點
輪詢這一個特征就已近暴露了這個I/O模型的缺點.輪詢將會不斷地詢問內核,這將占用大量的CPU時間,系統資源利用率較低.同時,該模型也不便于使用,需要編寫復雜的代碼.

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三、I/O復用模型

上文中說到,在出現大量的鏈接時,使用多線程+阻塞I/O的編程模型會占用大量的內存.那么I/O復用技術在內存占用方面,就有著很好的控制.
當前的高性能反向代理服務器Nginx使用的便是I/O復用模型(epoll),它以高性能和低資源消耗著稱,在大規模并發上也有著很好的表現.
那么,我們就來看一看I/O復用模型的面目吧

那到底什么是I/O復用(I/O multiplexing).根據我的理解,復用指的是復用線程,從阻塞式I/O來看,基本一個套接字就占領了整個線程.例如當對一個套接字調用recvfrom調用時,整個線程將被阻塞掛起,直到數據報準備完畢.
多路復用就是復用一個線程的I/O模型,Linux中擁有幾個調用來實現I/O復用的系統調用——select,poll,epoll(Linux 2.6+)

線程將阻塞在上面的三個系統挪用中的某一個之上,而不是阻塞在真正的I/O系統挪用上.I/O復用允許對多個套接字進行監聽,當有某個套接字準備就緒(可讀/可寫/異常)時,系統挪用將會返回.
然后我們可能將重新啟用一個線程并挪用recvfrom來將特定套接字中的數據報從內核緩沖區復制到進程緩沖區.

I/O復用模型的優缺點

優點
I/O復用技術的優勢在于,只需要使用一個線程就可以管理多個socket,系統不需要建立新的進程或者線程,也不必維護這些線程和進程,所以它也是很大程度上減少了資源占用.
另外I/O復用技術還可以同時監聽不同協議的套接字
缺點
在只處理連接數較小的場合,使用select的服務器不必定比多線程+阻塞I/O模型效率高,可能延遲更大,因為單個連接處理需要2次系統調用,占用時間會有增加.

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四、信號驅動式I/O模子

當然你可能會想到使用信號這一機制來避免I/O時線程陷入阻塞狀態.那么內核開發者怎么可能會想不到.那么我們來看看信號驅動式I/O模子的具體流程

從上圖可以看到,我們首先開啟套接字的信號驅動式I/O功能,并通過sigaction系統調用來安裝一個信號處理函數,我們進程不會被阻塞.
當數據報準備好讀取時,內核就為該進程發生一個SIGIO信號,此時我們可以在信號處理函數中調用recvfrom讀取數據報,并通知數據已經準備好,正在等待處理.

信號驅動式I/O模型的優缺點

長處
很明顯,我們的線程并沒有在等待數據時被阻塞,可以提高資源的利用率
缺點
其實在Unix中,信號是一個被過度設計的機制(這句話來自知乎大神,有待考究)
信號I/O在大量IO操作時可能會因為信號隊列溢出導致沒法通知——這個是一個非常嚴重的問題.

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稍微歇息一下,還記得我們前面說過這4種I/O模型都可以劃分為同步I/O方式,那我們來看看為什么.
了解了４種I/O模型的調用過程后,我們可以注意到,在數據從內核緩沖區復制到用戶緩沖區時,都必要進程顯示調用recvfrom,并且這個復制過程是阻塞的.
也就是說真正I/O過程(這里的I/O有點狹義,指的是內核緩沖區到用戶緩沖區)是同步阻塞的,不同的是各個I/O模型在數據報準備好之前的動作不一樣.

下面所說的異步I/O模型將會有所分歧

五、異步I/O模型

異步I/O,是由POSIX規范定義的.這個規范定義了一些函數,這些函數的工作機制是：告知內核啟動某個操作,并讓內核在整個操作完成后再通知我們.(包含將數據從內核復制到我們進程的緩沖區)
照樣,先看模型的流程

全程沒有阻塞,真正做到了異步
異步的優點還用闡明嗎?

but

異步I/O在Linux2.6才引入,并且到現在仍然未成熟.
雖然有知名的異步I/O庫 glibc,但是聽說glibc采用多線程模擬,但存在一些bug和設計上的不合理.wtf?多線程模擬,那還有殺卵用.

引入異步I/O可能會代碼難以理解的問題,這個站在軟件工程的角度也是必要細細衡量的.

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總結

關于對Linux 的I/O模型的學習就寫到這里,每個模型都有本身使用的范圍

Talk is cheap, show me the code
實踐出真知.
關于I/O模子的實驗代碼會在2017年10月前放到我的github倉庫中.

參考文獻

1. 《Unix網絡編程卷1：套接字聯網API》(第3版)人民郵電出書社

UNIX 網絡編程(第2版)第1卷：套接口API和X／Open 傳輸接口API PDF?

UNIX網絡編程卷1:套接字聯網API(第3版) 中文高清帶完備書簽 PDF?

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