linux下的IO模型

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前言

目前Linux下可用的IO模型有5种，分别为阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO、异步IO，其中较为成熟且高效、稳定的是IO多路复用模型，因此当前众多网络服务程序几乎都是采用这种IO操作策略。 当一个应用程序读写（以读为例）某端口数据时，选择不同IO模型的应用程序，其执行流程也将不同。

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一、相关概念

1. 用户空间和内核空间

现代操作系统采用虚拟内存管理进程中的指令和数据，对于不同的操作系统，进程的虚拟内存大小也有所差异，比如32位操纵系统的虚拟内存为4G(2^32)。
操作系统的核心是内核(kernel)，它拥有进程中最高的内存访问权限，也有底层硬件设备的所有操作权限，为保证内核的安全，操作系统将虚拟内存分为用户空间和内核空间，用户进程没有内核空间的直接访问权限。
以linux 32位操作系统为例，最高的1G内存被划分到内核空间(0xC0000000-0xFFFFFFFF)，其余3G内存可以由进程使用，也就是用户空间(0x00000000-0xBFFFFFFF)。

2. 文件描述符

文件描述符也称文件句柄在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。
内核利用文件描述符来访问文件，当打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符，文件描述符与包括相关信息（如文件的打开模式、文件的位置类型、文件的初始类型等）的文件对象相关联，这些信息被称作文件的上下文。

3. 阻塞和非阻塞

阻塞操作是指在执行设备操作时，若不能获得资源，则挂起进程直到满足可操作的条件后再进行操作。 被挂起的进程进入睡眠状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。
非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时，直接退出，可以定时去查询当前是否可以操作，直至可以进行操作为止。

4. 同步和异步

同步操作是指在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。
异步操作是指在发出一个功能调用时，调用会立即返回，但此时并没有返回该功能的结果，直到有结果后再以通知的方式让调用者感知。

二、IO模型的分类

对于一次IO操作，一般会分为两个阶段，这里以read操作为例。
阶段1：数据会先被拷贝到内核缓冲区中(数据准备阶段)。
阶段2：再从内核缓冲区拷贝到进程的地址空间(数据读取阶段)。

1. 阻塞IO

进程调用IO函数后，由于数据没有准备好，进程需要一直阻塞，直到数据准备好了，IO函数将数据从内核空间拷贝到用户空间。

2. 非阻塞IO

进程调用IO函数后，如果当前数据没有准备好，IO函数直接返回，并以返回码的形式通知进程。随后进程定时调用IO函数，直到数据包准备好后将数据从内核空间拷贝到用户空间。

3. 信号驱动IO

进程对SIGIO注册信号处理函数，进程可以继续运行，不会阻塞，当数据准备好时会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中处理数据。

4. 异步IO

进程想操作系统提交一个异步IO请求，并立即返回，不需要等待操作完成，当数据准备好了，操作系统会将数据拷贝从内核空间拷贝到用户空间，并通知进程。

5. IO多路复用

进程通过select|poll|epoll等系统调用获取已就绪的文件描述符列表，相比于传统IO，IO多路复用模型中的单个线程可以同时监视多个IO操作，大大提高了IO操作的效率和并发性。

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总结

本文仅对几种IO模型进行简单介，希望对大家有所帮助。