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Linux下的5种IO模型的小结(转)

  接触网络编程,我们时常会与各种与IO相关的概念打交道:同步(Synchronous)、异步(ASynchronous)、阻塞(blocking)和非阻塞(non-blocking)。关于概念的区别在知乎上看到一位朋友(链接)打了一个比较形象的比喻:

  你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书,如果是同步通信机制,书店老板会说,你稍等,”我查一下",然后开始查啊查,等查好了(可能是5秒,也可能是一天)告诉你结果(返回结果)。

  而异步通信机制,书店老板直接告诉你我查一下啊,查好了打电话给你,然后直接挂电话了(不返回结果)。然后查好了,他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。

  你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书,你如果是阻塞式调用,你会一直把自己“挂起”,直到得到这本书有没有的结果。如果是非阻塞式调用,你不管老板有没有告诉你,你自己先一边去玩了, 当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。

  在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

  同步与异步的主要区别就在于:会不会导致请求进程(或线程)阻塞。同步会使请求进程(或线程)阻塞而异步不会。

  linux下有五种常见的IO模型,其中只有一种异步模型,其余皆为同步模型。如图:

  阻塞IO模型

  阻塞IO模型是最常见的IO模型了,对于所有的“慢速设备”(socket、pipe、fifo、terminal)的IO默认的方式都是阻塞的方式。阻塞就是进程放弃cpu,让给其他进程使用cpu。进程阻塞最显著的表现就是“进程睡眠了”。阻塞的时间通常取决于“数据”是否到来。

  非阻塞IO模型

  非阻塞IO就是设置IO相关的系统调用为non-blocaking,随后进行的IO操作无论有没有可用数据都会立即返回,并设置errno为EWOULDBLOCK或者EAGAIN。我们可以通过主动check的方式(polling,轮询)确保IO有效时,随之进行相关的IO操作。当然这种方式看起来就似乎不太靠谱,浪费了太多的CPU时间,用宝贵的CPU时间做轮询太不靠谱儿了。图示:

  多路复用IO模型

  多路复用是让阻塞发生在我们的多路复用IO操作的系统调用上面,而不是我们真正去执行IO的系统调用。使用这个方式的好处就是可以同时监控多个用于IO的文件描述符。

  信号驱动IO模型

  所谓信号驱动,就是利用信号机制,安装信号SIGIO的处理函数(进行IO相关操作),通过监控文件描述符,当其就绪时,通知目标进程进行IO操作(signal handler)。

  异步IO模型

  Linux上异步IO有一组POSIX规定的接口,已aio开头的几个SYSCALL。如下:

  int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
  int aio_write(struct aiocb *aiocbp);ssize_t aio_return(struct aiocb  *aiocbp); 使用时记得 Link with -lrt.

  参数看起来给人一种很简洁的假象。其实相较于其他模型的参数一个也没有少,只是放到了结构体里边了。先看一下struct aiocb这个结构的原型吧,头文件是”aio.h“。

  struct aiocb
  {
  int aio_fildes; /* File desriptor. */
  int aio_lio_opcode; /* Operation to be performed. */
  int aio_reqprio; /* Request priority offset. */
  volatile void *aio_buf; /* Location of buffer. */
  size_t aio_nbytes; /* Length of transfer. */
  struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value. */
  /* Internal members. */
  struct aiocb *__next_prio;
  int __abs_prio;
  int __policy;
  int __error_code;
  __ssize_t __return_value;
  #ifndef __USE_FILE_OFFSET64
  __off_t aio_offset; /* File offset. */
  char __pad[sizeof (__off64_t) - sizeof (__off_t)];
  #else
  __off64_t aio_offset; /* File offset. */
  #endif
  char __unused[32];
  };

  其实虽然结构体足够长,其实真正用到的也就前面那几个参数,也没那么复杂。具体用法不再赘述。

  下图是关于异步IO模型的图示:

原文链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/113467811

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