(精華)2020年8月31日 計算機操作系統(tǒng) IO概念和五種IO模型

一、什么是IO？

我們都知道unix世界里、一切皆文件、而文件是什么呢？文件就是一串二進制流而已、不管socket、還是FIFO、管道、終端、對我們來說、一切都是文件、一切都是流、在信息交換的過程中、我們都是對這些流進行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作、簡稱為I/O操作(input and output)、往流中讀出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)調(diào)用read、寫入數(shù)據(jù)、系統(tǒng)調(diào)用write、不過話說回來了、計算機里有這么多的流、我怎么知道要操作哪個流呢？做到這個的就是文件描述符、即通常所說的fd、一個fd就是一個整數(shù)、所以對這個整數(shù)的操作、就是對這個文件（流）的操作、我們創(chuàng)建一個socket、通過系統(tǒng)調(diào)用會返回一個文件描述符、那么剩下對socket的操作就會轉(zhuǎn)化為對這個描述符的操作、不能不說這又是一種分層和抽象的思想。

二、IO交互## 標題

通常用戶進程中的一個完整IO分為兩個階段：

用戶空間<------------->內(nèi)核空間、

內(nèi)核空間<------------->設(shè)備空間、

內(nèi)核空間中存放的是內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)、而進程的用戶空間中存放的是用戶程序的代碼和數(shù)據(jù)、不管是內(nèi)核空間還是用戶空間、它們都處于虛擬空間中、Linux使用兩級保護機制：0級供內(nèi)核使用、3級供用戶程序使用、

操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序運行在內(nèi)核空間、應(yīng)用程序運行在用戶空間、兩者不能簡單地使用指針傳遞數(shù)據(jù)、因為Linux使用的虛擬內(nèi)存機制、其必須通過系統(tǒng)調(diào)用請求kernel來協(xié)助完成IO動作、內(nèi)核會為每個IO設(shè)備維護一個緩沖區(qū)、用戶空間的數(shù)據(jù)可能被換出、當內(nèi)核空 間使用用戶空間指針時、對應(yīng)的數(shù)據(jù)可能不在內(nèi)存中

對于一個輸入操作來說、進程IO系統(tǒng)調(diào)用后、內(nèi)核會先看緩沖區(qū)中有沒有相應(yīng)的緩存數(shù)據(jù)、沒有的話再到設(shè)備中讀取、因為設(shè)備IO一般速度較慢、需要等待、內(nèi)核緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)則直接復(fù)制到進程空間、

所以、對于一個網(wǎng)絡(luò)輸入操作通常包括兩個不同階段：

（1）等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達網(wǎng)卡 –> 讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)

（2）從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù) –> 用戶空間

IO有內(nèi)存IO、網(wǎng)絡(luò)IO和磁盤IO三種、通常我們說的IO指的是后兩者

1.阻塞IO（blocking I/O）

A拿著一支魚竿在河邊釣魚，并且一直在魚竿前等，在等的時候不做其他的事情，十分專心。只有魚上鉤的時，才結(jié)束掉等的動作，把魚釣上來。

在內(nèi)核將數(shù)據(jù)準備好之前，系統(tǒng)調(diào)用會一直等待所有的套接字，默認的是阻塞方式。

其實，我們例子中所說的魚竿就是這一個文件描述符。這個模型是我們最常見的，程序調(diào)用和我們編寫的基本程序是一致的。

程序的read必須在write之后執(zhí)行，當write阻塞住了，read就不能執(zhí)行下去，一直處于等待狀態(tài)。

2.非阻塞IO（noblocking I/O）

B也在河邊釣魚，但是B不想將自己的所有時間都花費在釣魚上，在等魚上鉤這個時間段中，B也在做其他的事情（一會看看書，一會讀讀報紙，一會又去看其他人的釣魚等），但B在做這些事情的時候，每隔一個固定的時間檢查魚是否上鉤。一旦檢查到有魚上鉤，就停下手中的事情，把魚釣上來。

其實，B在檢查魚竿是否有魚，是一個輪詢的過程。

每次客戶詢問內(nèi)核是否有數(shù)據(jù)準備好，即文件描述符緩沖區(qū)是否就緒。當有數(shù)據(jù)報準備好時，就進行拷貝數(shù)據(jù)報的操作。當沒有數(shù)據(jù)報準備好時，也不阻塞程序，內(nèi)核直接返回未準備就緒的信號，等待用戶程序的下一個輪尋。

但是，輪尋對于CPU來說是較大的浪費，一般只有在特定的場景下才使用。

3.信號驅(qū)動IO（signal blocking I/O）

C也在河邊釣魚，但與A、B不同的是，C比較聰明，他給魚竿上掛一個鈴鐺，當有魚上鉤的時候，這個鈴鐺就會被碰響，C就會將魚釣上來。

信號驅(qū)動IO模型，應(yīng)用進程告訴內(nèi)核：當數(shù)據(jù)報準備好的時候，給我發(fā)送一個信號，對SIGIO信號進行捕捉，并且調(diào)用我的信號處理函數(shù)來獲取數(shù)據(jù)報。

4.IO多路復(fù)用（I/O multiplexing）

D同樣也在河邊釣魚，但是D生活水平比較好，D拿了很多的魚竿，一次性有很多魚竿在等，D不斷的查看每個魚竿是否有魚上鉤。增加了效率，減少了等待的時間。

IO多路轉(zhuǎn)接是多了一個select函數(shù)，select函數(shù)有一個參數(shù)是文件描述符集合，對這些文件描述符進行循環(huán)監(jiān)聽，當某個文件描述符就緒時，就對這個文件描述符進行處理。

其中，select只負責等，recvfrom只負責拷貝。

IO多路轉(zhuǎn)接是屬于阻塞IO，但可以對多個文件描述符進行阻塞監(jiān)聽，所以效率較阻塞IO的高。

5.異步IO（asynchronous I/O）

E也想釣魚，但E有事情，于是他雇來了F，讓F幫他等待魚上鉤，一旦有魚上鉤，F(xiàn)就打電話給E，E就會將魚釣上去。

當應(yīng)用程序調(diào)用aio_read時，內(nèi)核一方面去取數(shù)據(jù)報內(nèi)容返回，另一方面將程序控制權(quán)還給應(yīng)用進程，應(yīng)用進程繼續(xù)處理其他事情，是一種非阻塞的狀態(tài)。

當內(nèi)核中有數(shù)據(jù)報就緒時，由內(nèi)核將數(shù)據(jù)報拷貝到應(yīng)用程序中，返回aio_read中定義好的函數(shù)處理程序。

很少有Linux系統(tǒng)支持，Windows的IOCP就是該模型。

可以看出，阻塞程度：阻塞IO>非阻塞IO>多路轉(zhuǎn)接IO>信號驅(qū)動IO>異步IO，效率是由低到高的。

任務(wù)調(diào)度

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