IO模式和IO多路复用（阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO等概念）

最新推荐文章于 2025-05-20 09:06:06 发布

本兮言

最新推荐文章于 2025-05-20 09:06:06 发布

阅读量1.6k

点赞数

分类专栏：操作系统模块

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ligupeng7929/article/details/93672312

版权

本文详细介绍了Linux环境下的各种IO模式，包括阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO。重点讲述了它们的区别，如阻塞IO在数据准备和拷贝阶段都会阻塞进程，而非阻塞IO在数据未准备好时立即返回错误，而异步IO则允许进程在IO操作完成时通过信号通知。此外，还提到了I/O多路复用（如select、poll、epoll）以及事件驱动编程模型的应用，强调了它们在处理高并发连接时的优势和适用场景。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1 基础知识回顾

注意：咱们下面说的都是Linux环境下，跟Windows不一样哈~~~

1.1 用户空间和内核空间

现在操作系统都采用虚拟寻址，处理器先产生一个虚拟地址，通过地址翻译成物理地址（内存的地址），再通过总线的传递，最后处理器拿到某个物理地址返回的字节。

对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

补充：地址空间就是一个非负整数地址的有序集合。如{0,1,2...}。

1.2 进程上下文切换（进程切换）

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换（也叫调度）。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

1. 保存当前进程A的上下文。

上下文就是内核再次唤醒当前进程时所需要的状态，由一些对象（程序计数器、状态寄存器、用户栈等各种内核数据结构）的值组成。

这些值包括描绘地址空间的页表、包含进程相关信息的进程表、文件表等。

2. 切换页全局目录以安装一个新的地址空间。

...

3. 恢复进程B的上下文。

可以理解成一个比较耗资源的过程。

1.3 进程的阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

1.4 文件描述符

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符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。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

1.5 直接I/O和缓存I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，以write为例，数据会先被拷贝进程缓冲区，在拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会写到存储设备中。

缓存I/O的write：