常见Linux IO模型分析

本文介绍了Linux中的五种常见IO模型:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、异步IO和信号驱动IO,并详细解释了它们的工作原理及应用场景。

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LINUX常见IO模型介绍

UNIX中常见IO模型有五种:阻塞 IO、非阻塞IO、多路复用IO、异步IO、信号驱动IO。其中阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO都属于同步IO。

同步IO和异步IO

  1. 同步IO:应用程序主动向内核查询是否有可用数据,如果有自己负责把数据从内核copy到用户空间。

  2. 异步IO:应用程序向内核发起读数据请求需要:(1)告诉内核数据存放位置(2)注册回调函数,当内核完成数据copy后调用回调通知应用程序取数据。
  3. 同步/异步最大区别:数据从内核空间到用户空间的copy动作由应用程序自己完成。而异步IO则是注册回调函数并告知内核用户空间缓冲区存放地址,数据copy由内核完成。

下面以read操作为例简单介绍每种IO处理流程。

阻塞IO模型

                                                            图1 阻塞IO模型时序图

这种模型特点如其名,没有可用数据时read操作会被阻塞,用户线程也会阻塞在这个read操作上。这种模型对一些高速IO设备或者对于吞吐量要求高的场景比较合适。为最大限度发挥这种模型优势,需要提高每个线程处理效率,线程会长时间处于组塞状态会降低系统资源利用率。对于需要监听大量文件句柄,且每个句柄读写操作不频繁的场景,这种IO模型。不适合。比如:web聊天程序,需要保持大量长连接,但是每个连接产生数据的速度很慢。在此场景下一个线程对应一个连接,线程busy时间较少,系统利用率低,系统资源被大量浪费(文件句柄、连接句柄、线程占用的内存等宝贵资源)。这种场景多路复用IO非常合适。

非阻塞IO模型

                                                  图2 非阻塞IO模型时序图

这种IO模型和阻塞IO不同。在无数据可读时,read操作并不会被阻塞,而是返回一个错误码。应用程序取到这个错误码后可知当前并无数据可用,从而进行其它逻辑处理(可以继续尝试读取数据,也可以做其它事情)。这种IO模型在处理web聊天程序场景的效率会比阻塞IO模型好点,至少不会被阻塞住,这样可以遍历所有套接字句柄,直到找到一个有数据可读套接字,然后为这个连接服务。但这也有一个明显的缺点:用户需要多次调用read操作然后根据返回值判断当前句柄是否有数据可读,多次无用循环浪费了cpu而且无用 read调用也使程序运行效率下降。

多路复用IO模型

阻塞IO缺点:线程在无数据可用时候会被阻塞,每个线程只监听自己关心的文件句柄。

非阻塞IO缺点:read操作可能读取不到数据。多路复用IO模型可以很好解决上述缺点。

多路复用IO解决上述问题的思路:(1)用一个线程(Selector)监听所有已注册的文件句柄,(2)只有当监听的文件句柄有可用数据时才通知应用程序去读取数据。

多路复用IO常用有三种实现方式:select、pool、epoll。下面分别介绍这三种IO模型实现原理。

Select模型


图3 Select模型时序图


图4 select模型流程图

每种事件类型对应一个fd_set,比如:OP_READ、OP_WRITE、OP_EX各有一个fd_set与之对应。应用程序使用多个fd_set位图保存不同事件类型的文件句柄。

select模型有两个比较明显的缺点:
  1. fd_set采用bitmap实现(bitmap大小是1024),最大文件句柄数为1024,也就是说每种事件类型最多可以监听1024个文件句柄。

  2. 两次fd_set拷贝:调用select时把fd_set从用户空间copy到内核空间,select返回时把fd_set从内核空间copy到用户空间。

  3. Select返回后,用户需要遍历所有fd_set找出可用句柄

Poll模型

Poll是select增强版,原理和select基本一样。它使用链表结构代替了位图结构,解决了最多只能监听1024个文件句柄的问题。但是第2和第3个缺点还是没有解决。下面重点介绍Epoll,它解决了select所有问题。

EPoll模型


                                                                          图5 Epoll模型流程图

Epoll模型在初始时做了2件事

  1. 把fd_list拷贝到内核空间,只copy一次
  2. 在需要监听IO设备上注册select线程,并添加回调函数。这个回调函数的作用就是把可用fd放到就绪队列中。每当设备可用时,设备驱动调用回调函数并且唤醒处在休眠中的select线程。

信号驱动IO模型


                                                                图6 信号驱动IO序列图

进程先向内核注册一个信号处理函数,然后返回做其它事情。当有数据可用时,进程会收到信号并且调用信号处理函数完成数据拷贝和处理。数据从内核拷贝到用户空间是由应用进程完成的,所以信号驱动IO也属于同步IO。

异步IO模型


                                                                   图7 异步信号IO模型

异步io调用需要完成两件事:(1)注册信号处理函数(2)告诉内核IO缓冲区的地址。

异步IO模型和前面几种IO模型最大的区别是:当有数据可读时,内核负责把数据copy到用户空间缓冲区中。应用进程收到信号后调用信号处理函数处理,信号处理函数直接从缓冲区取数据,而不必从内核拷贝。

### 回答1: Linux IO 模型是指 Linux 操作系统中的 IO 处理机制。它的目的是解决多个程序同时使用 IO 设备时的资源竞争问题,以及提供一种高效的 IO 处理方式。 Linux IO 模型主要分为三种:阻塞 IO非阻塞 IO IO 多路复用。 阻塞 IO 指的是当程序进行 IO 操作时,会被挂起直到 IO 操作完成,这种方式简单易用,但是对于高并发环境不太适用。 非阻塞 IO 指的是程序进行 IO 操作时,如果无法立即完成,会立即返回一个错误码,程序可以通过循环不断地进行 IO 操作来实现轮询的效果。非阻塞 IO 可以提高程序的响应速度,但是会增加程序的复杂度。 IO 多路复用指的是程序可以同时监听多个 IO 设备,一旦有 IO 事件发生,就会立即执行相应的操作。IO 多路复用可以提高程序的效率,但是需要程序员手动编写代码来实现。 Linux IO 模型还有其他的实现方式,比如信号驱动 IO 异步 IO 等。但是这些方式的使用比较复杂,一般不常用。 ### 回答2: Linux中的IO模型是指操作系统在处理输入输出的过程中所遵循的一种方式。它主要包括阻塞IO非阻塞IO多路复用IO异步IO四种模型阻塞IO是最简单的IO模型,当一个IO操作发生时,应用程序会被阻塞,直到IO操作完成才能继续执行。这种模型的特点是简单直接,但是当有多个IO操作时会造成线程的阻塞,影响系统的性能。 非阻塞IO是在阻塞IO的基础上发展而来的,应用程序在发起一个IO操作后可以继续执行其他任务,不必等待IO操作的完成。但是需要通过轮询来不断地检查IO操作是否完成,效率相对较低。 多路复用IO使用selectpollepoll等系统调用来监听多个IO事件,当某个IO事件就绪时,应用程序才会进行读写操作,避免了前两种模型的效率问题。多路复用IO模型适用于连接数较多时的场景,如服务器的网络通信。 异步IO是最高效的IO模型,应用程序发起一个IO操作后,立即可以执行其他任务,不需要等待IO操作的完成。当IO操作完成后,操作系统会通知应用程序进行后续处理。异步IO模型常用于高吞吐量、低延迟的应用,如高性能服务器数据库等。 总之,Linux IO模型提供了多种不同的方式来处理输入输出,每种模型都有其适用的场景特点。选择合适的IO模型可以提高系统的性能效率。 ### 回答3: Linux IO模型是指操作系统中用于处理输入输出操作的一种方法或机制。在Linux中,常见IO模型阻塞IO非阻塞IOIO多路复用异步IO阻塞IO是最基本的IO模型,当应用程序发起一个IO请求时,它将一直阻塞等待直到IO操作完成,期间无法做其他任务。虽然简单易用,但是对资源的利用不高。 非阻塞IO在发起一个IO请求后,不会阻塞等待IO操作完成,而是立即返回并继续做其他任务。应用程序需要不断地轮询IO操作状态,直到操作完成。由于需要不断轮询,对CPU的占用较高,但可以提高资源的利用率。 IO多路复用是通过一个线程同时监听多个IO事件,从而实现并发处理多个IO操作。在IO多路复用模型中,应用程序不需要进行轮询,而是通过调用selectpollepoll等系统调用监听多个文件描述符的IO事件。这样可以在单个线程中处理多个IO操作,提高并发性能。 异步IO模型在发起一个IO请求后,应用程序不需要等待IO操作完成,而是继续做其他任务。当IO操作完成后,操作系统会通知应用程序。异步IO模型需要操作系统的支持,效率较高,但实现较为复杂。 通过选择合适的IO模型,可以根据不同的应用场景来提高IO操作的效率性能。例如,对于需要同时处理大量连接的服务器应用,IO多路复用是一种常见的选择;而对于需要处理大量IO操作的高性能服务器,则可以考虑使用异步IO模型
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