高性能服务器程序框架1——I/O模型

在学习Linux高性能服务器程序框架时，学到了I/O模型。

Linux下的五种I/O模型：

• 阻塞I/O（blocking I/O）
• 非阻塞I/O （nonblocking I/O）
• I/O复用（I/O multiplexing）
• 信号驱动I/O （(SIGIO)signal driven I/O ）
• 异步I/O （asynchronous I/O

关于同步与异步，阻塞与非阻塞的概念，在我以前的博客里面有详细的介绍，戳这里啦！

1. 阻塞I/O

进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成

针对阻塞I/O执行的系统调用可能因为无法立即完成而被操作系统挂起，直到等待的事件发生为止。

比如，客户端通过 connect 向服务器发起连接时，connect 将首先发送同步报文段给服务器，然后等待服务器返回确认报文段。如果服务器的确认报文段没有立即到达客户端，则 connect 调用将被挂起，直到客户端收到确认报文段并唤醒 connect 调用。

socket 的基础 API 中，可能被阻塞的系统调用包括 accept、send、 recv 和 connect。

如下图：在调用 recv(recvfrom) 函数时，发生在内核中等待数据和复制数据过程。

2. 非阻塞I/O

非阻塞I/O执行的系统调用则总是立即返回，而不管事件是否已经发生。

如果事件没有立即发生，这些系统调用就返回-1，和出错的情况一样。此时我们必须根据 errno 来区分这两种情况。

对 accept、send 和 recv 而言，事件未发生时 ermo 通常被设置成 EAGAIN (意为“再来一次”)，或者EWOULDBLOCK ( 意为“期望阻塞”)；对 connect 而言，erno 则被设置成 EINPROGRESS (意为“在处理中”)。

如下图：

很显然，我们只有在事件已经发生的情况下，操作非阻塞I/O (读、写等)，才能提高程序的效率。因此，非阻塞I/O通常要和其他I/O通知机制一起使用，比如I/O复用和SIGIO信号。

3. I/O复用

I/O复用是最常使用的IO通知机制。

I/O复用指应用程序通过I/O复用函数向内核注册一组事件，内核通过IO复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序。

Linux 上常用的I/O复用函数是 select、poll 和 epoll wait 。需要指出的是，I/O复用函数本身是阻塞的，它们能提高程序效率的原因在于其具有同时监听多个I/O事件的能力。

如下图：

4. 信号驱动I/O

两次调用，两次返回 

SIGIO信号也可以用来报告I/O事件。我们可以为一个目标文件描述符指定宿主进程，那么被指定的宿主进程将捕获到SIGIO信号。这样，当目标文件描述符上有事件发生时，SIGIO 信号的信号处理函数将被触发，我们也就可以在该信号处理函数中对目标文件描述符执行非阻塞I/O操作了。

如下图：

5. 异步I/O

数据拷贝的时候进程无需阻塞

用户可以直接对I/O执行读写操作，这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置，以及I/O操作完成之后内核通知应用程序的方式。

异步IO的读写操作总是立即返回，而不论I/O是否是阻塞的，因为真正的读写操作已经由内核接管。

也就是说，同步I/O模型要求用户代码自行执行I/O操作（将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区，或将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区）；而异步IO机制则由内核来执行I/O操作（数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的移动是由内核在“后台”完成的）。

可以这样认为，同步I/O向应用程序通知的是I/O就绪事件，而异步I/O向应用程序通知的是I/O完成事件。Linux 环境下，aio.h 头文件中定义的函数提供了对异步I/O的支持。

如下图：

 

注：文中5张图片均来自51CTO博客作者niche白。

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