计算机原理-Linux 网络I/O模型

在开始讲网络IO模式之前，我们先来熟悉一下几个概念：

• 用户空间和内核空间

• 进程切换

• 文件描述符

• buffer IO

 

用户空间和内核空间

在Linux中不管是内核空间还是用户空间都是使用虚拟地址，在32位平台而言，它的寻址范围是4GB，如下图所示：

所以从较低3GB（0x00000000到0xBFFFFFFF）称之为用户空间,较高1GB（0xC0000000到0xFFFFFFFF）称之为内核空间。在我的《Linux内存管理》文章有更加详细的说明，可自行前往参考。

 

进程切换

在Linux中存在多线程的情况下，肯定需要进程的切换，也就是说需要挂起正在运行的进程，然后运行正在就绪状态的进程。这种行为我们称之为进程切换。进程切换有哪些变化呢？

1. 首先需要保存寄存器现场，保存处理机上下文

2. 更新PCB信息

3. 把进程的PCB加入到某些队列中（例如就绪队列）

4. 选择需要运行的进程，并且执行，然后更新其PCB

5. 更新内存管理的结构

6. 恢复处理机上下文

虽然从这六个步骤中，无法感觉，但是真的挺繁琐的，非常消耗CPU资源。

 

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。

 

buffer IO

buffer IO也就是标准IO，是默认的IO模式。在用户态write或者read等IO操作时，内核中数据是存储在文件系统的页缓存中。它有个缺点：许多多次拷贝的消耗，带来CPU和内存的消耗。在本人之前的《Linux直接IO原理》中有详细比较两种IO的优缺点。

 

IO模型

先直接给出五种网络模型：

1. 阻塞I/O

2. 非阻塞I/O

3. I/O多路复用

4. 信号驱动I/O

5. 异步I/O

 

在Linux中，socket的I/O默认都是阻塞的，流程图，如下：

当应用程序调用recvfrom系统调用，内核进入第一个阶段：等待数据。所以在用户态这边整个进程都会阻塞。当内核准备数据之后，还需要将数据拷贝到用户态内存，然后才会return，之后用户进程才会接触阻塞状态。

 

非阻塞I/O

设置I/O属性可以修改socket为非阻塞模式，当进行读操作时候，流程图如下图：

当用户进程read操作时候，如果内核还没数据，就会返回无数据状态。在用户进程的角度上，如果是无数据，继续recvfrom等待。直到内核数据准备好，拷贝到用户空间内存中。所以非阻塞I/O需要用户进程一直轮询IO。

 

I/O多路复用（I/O multiplexing）

IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。epoll的方式有所不一样，这里不展开。

从图中我们可以看出，当调用select，整个进程都会阻塞，select可以同时监听多个socket，一旦其中任意一个socket准备就绪状态，select就会立即返回，用户进程就可以read操作了。

上图和阻塞IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而阻塞 IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，select的真正优势在于它可以同时处理多个connection。

所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）

在IO multiplexing 模型中，实际中，对于所有的socket，一般都设置成为非阻塞的。但是，如上图所示，整个用户进程其实是一直被阻塞的。只不过进程是被select这个函数阻塞的，而不是被socket IO给阻塞。

异步I/O

Linux中异步I/O其实用的很少。下图流程：

用户进程发起read操作之后，这个时候就可以去干其他事情了。而从kernel的角度，当它受到一个异步 read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，内核会给用户进程发送一个信号，告诉它read操作完成了。

 

总结

看下图各I/O模型比较图：

从图中我们可以发现，非阻塞和异步的区别还是很明显的，在非阻塞中进程大部分不会阻塞的，但是需要主动check I/O。而异步I/O就不需要，内核将数据拷贝完成后，发送信号通知进程就行了。

 

 

觉得不错，记得关注，转发，点赞！