Linux的I/O模型概念是什么

本篇內(nèi)容主要講解“Linux的I/O模型概念是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Linux的I/O模型概念是什么”吧!

1. 阻塞I/O模型

      老李去火車站買票，排隊(duì)三天買到一張退票。

      耗費(fèi)：在車站吃喝拉撒睡 3天，其他事一件沒干。

2. 非阻塞I/O模型

     老李去火車站買票，隔12小時(shí)去火車站問有沒有退票，三天后買到一張票。

     耗費(fèi)：往返車站6次，路上6小時(shí)，其他時(shí)間做了好多事。

3. I/O復(fù)用模型

     1.select/poll

           老李去火車站買票，委托黃牛，然后每隔6小時(shí)電話黃牛詢問，黃牛三天內(nèi)買到票，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。

            耗費(fèi)：往返車站2次，路上2小時(shí)，黃牛手續(xù)費(fèi)100元，打電話17次

    2.epoll

            老李去火車站買票，委托黃牛，黃牛買到后即通知老李去領(lǐng)，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。

            耗費(fèi)：往返車站2次，路上2小時(shí)，黃牛手續(xù)費(fèi)100元，無需打電話

4. 信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O模型

        老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。

        耗費(fèi)：往返車站2次，路上2小時(shí)，免黃牛費(fèi)100元，無需打電話

5. 異步I/O模型

         老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李并快遞送票上門。

        耗費(fèi)：往返車站1次，路上1小時(shí)，免黃牛費(fèi)100元，無需打電話

總結(jié)：

       1同2的區(qū)別是：自己輪詢

       2同3的區(qū)別是：委托黃牛

       3同4的區(qū)別是：電話代替黃牛

       4同5的區(qū)別是：電話通知是自取還是送票上門

2、講解　　

　　nginx使用epoll接收請(qǐng)求的過程是怎樣的， 多看看上面?zhèn)€圖就了解了。提醒下，ngnix會(huì)有很多鏈接進(jìn)來， epoll會(huì)把他們都監(jiān)視起來，然后像撥開關(guān)一樣，誰有數(shù)據(jù)就撥向誰，然后調(diào)用相應(yīng)的代碼處理。

橫軸Dead connections 就是鏈接數(shù)的意思，叫這個(gè)名字只是它的測(cè)試工具叫deadcon. 縱軸是每秒處理請(qǐng)求的數(shù)量，你可以看到，epoll每秒處理請(qǐng)求的數(shù)量基本不會(huì)隨著鏈接變多而下降的。poll 和/dev/poll 就很慘了。可是epoll 有個(gè)致命的缺點(diǎn)。。只有l(wèi)inux支持

在知乎上面看到一些解釋如下：

截圖如下：

3、總結(jié)

 　　阻塞、非阻塞、多路IO復(fù)用，都是同步IO，異步必定是非阻塞的，所以不存在異步阻塞和異步非阻塞的說法。真正的異步IO需要CPU的深度參與。換句話說，只有用戶線程在操作IO的時(shí)候根本不去考慮IO的執(zhí)行全部都交給CPU去完成，而自己只等待一個(gè)完成信號(hào)的時(shí)候，才是真正的異步IO。所以，拉一個(gè)子線程去輪詢、去死循環(huán)，或者使用select、poll、epool，都不是異步。

文件 I/O

文件的讀寫方式各有千秋，對(duì)于文件的 I/O 分類也非常多，常見的有

• 緩沖與非緩沖 I/O

• 直接與非直接 I/O

• 阻塞與非阻塞 I/O VS 同步與異步 I/O

接下來，分別對(duì)這些分類討論討論。

緩沖與非緩沖 I/O

文件操作的標(biāo)準(zhǔn)庫是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存，那么根據(jù)「是否利用標(biāo)準(zhǔn)庫緩沖」，可以把文件 I/O 分為緩沖 I/O 和非緩沖 I/O：

• 緩沖 I/O，利用的是標(biāo)準(zhǔn)庫的緩存實(shí)現(xiàn)文件的加速訪問，而標(biāo)準(zhǔn)庫再通過系統(tǒng)調(diào)用訪問文件。

• 非緩沖 I/O，直接通過系統(tǒng)調(diào)用訪問文件，不經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)庫緩存。

這里所說的「緩沖」特指標(biāo)準(zhǔn)庫內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的緩沖。

比方說，很多程序遇到換行時(shí)才真正輸出，而換行前的內(nèi)容，其實(shí)就是被標(biāo)準(zhǔn)庫暫時(shí)緩存了起來，這樣做的目的是，減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，畢竟系統(tǒng)調(diào)用是有 CPU 上下文切換的開銷的。

直接與非直接 I/O

我們都知道磁盤 I/O 是非常慢的，所以 Linux 內(nèi)核為了減少磁盤 I/O 次數(shù)，在系統(tǒng)調(diào)用后，會(huì)把用戶數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中緩存起來，這個(gè)內(nèi)核緩存空間也就是「頁緩存」，只有當(dāng)緩存滿足某些條件的時(shí)候，才發(fā)起磁盤 I/O 的請(qǐng)求。

那么，根據(jù)是「否利用操作系統(tǒng)的緩存」，可以把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O：

• 直接 I/O，不會(huì)發(fā)生內(nèi)核緩存和用戶程序之間數(shù)據(jù)復(fù)制，而是直接經(jīng)過文件系統(tǒng)訪問磁盤。

• 非直接 I/O，讀操作時(shí)，數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存中拷貝給用戶程序，寫操作時(shí)，數(shù)據(jù)從用戶程序拷貝給內(nèi)核緩存，再由內(nèi)核決定什么時(shí)候?qū)懭霐?shù)據(jù)到磁盤。

如果你在使用文件操作類的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，指定了 O_DIRECT 標(biāo)志，則表示使用直接 I/O。如果沒有設(shè)置過，默認(rèn)使用的是非直接 I/O。

如果用了非直接 I/O 進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，內(nèi)核什么情況下才會(huì)把緩存數(shù)據(jù)寫入到磁盤？

以下幾種場(chǎng)景會(huì)觸發(fā)內(nèi)核緩存的數(shù)據(jù)寫入磁盤：

• 在調(diào)用 write 的最后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)核緩存的數(shù)據(jù)太多的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)把數(shù)據(jù)寫到磁盤上；

• 用戶主動(dòng)調(diào)用 sync，內(nèi)核緩存會(huì)刷到磁盤上；

• 當(dāng)內(nèi)存十分緊張，無法再分配頁面時(shí)，也會(huì)把內(nèi)核緩存的數(shù)據(jù)刷到磁盤上；

• 內(nèi)核緩存的數(shù)據(jù)的緩存時(shí)間超過某個(gè)時(shí)間時(shí)，也會(huì)把數(shù)據(jù)刷到磁盤上；

阻塞與非阻塞 I/O VS 同步與異步 I/O

為什么把阻塞 / 非阻塞與同步與異步放一起說的呢？因?yàn)樗鼈兇_實(shí)非常相似，也非常容易混淆，不過它們之間的關(guān)系還是有點(diǎn)微妙的。

先來看看阻塞 I/O，當(dāng)用戶程序執(zhí)行 read ，線程會(huì)被阻塞，一直等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)中，當(dāng)拷貝過程完成，read才會(huì)返回。

注意，阻塞等待的是「內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好」和「數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)」這兩個(gè)過程。過程如下圖：

非阻塞 I/O

注意，這里最后一次 read 調(diào)用，獲取數(shù)據(jù)的過程，是一個(gè)同步的過程，是需要等待的過程。這里的同步指的是內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶程序的緩存區(qū)這個(gè)過程。

舉個(gè)例子，訪問管道或 socket 時(shí)，如果設(shè)置了 O_NONBLOCK 標(biāo)志，那么就表示使用的是非阻塞 I/O 的方式訪問，而不做任何設(shè)置的話，默認(rèn)是阻塞 I/O。

應(yīng)用程序每次輪詢內(nèi)核的 I/O 是否準(zhǔn)備好，感覺有點(diǎn)傻乎乎，因?yàn)檩喸兊倪^程中，應(yīng)用程序啥也做不了，只是在循環(huán)。

為了解決這種傻乎乎輪詢方式，于是 I/O 多路復(fù)用技術(shù)就出來了，如 select、poll，它是通過 I/O 事件分發(fā)，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，再以事件通知應(yīng)用程序進(jìn)行操作。

這個(gè)做法大大改善了應(yīng)用進(jìn)程對(duì) CPU 的利用率，在沒有被通知的情況下，應(yīng)用進(jìn)程可以使用 CPU 做其他的事情。

下圖是使用 select I/O 多路復(fù)用過程。注意，read 獲取數(shù)據(jù)的過程（數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)的過程），也是一個(gè)同步的過程，需要等待：

異步 I/O

下面這張圖，總結(jié)了以上幾種 I/O 模型：

在前面我們知道了，I/O 是分為兩個(gè)過程的：

1. 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的過程

2. 數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶進(jìn)程緩沖區(qū)的過程

阻塞 I/O 會(huì)阻塞在「過程 1 」和「過程 2」，而非阻塞 I/O 和基于非阻塞 I/O 的多路復(fù)用只會(huì)阻塞在「過程 2」，所以這三個(gè)都可以認(rèn)為是同步 I/O。

異步 I/O 則不同，「過程 1 」和「過程 2 」都不會(huì)阻塞。

用故事去理解這幾種 I/O 模型

舉個(gè)你去飯?zhí)贸燥埖睦?，你好比用戶程序，飯?zhí)煤帽炔僮飨到y(tǒng)。

阻塞 I/O 好比，你去飯?zhí)贸燥?，但是飯?zhí)玫牟诉€沒做好，然后你就一直在那里等啊等，等了好長一段時(shí)間終于等到飯?zhí)冒⒁贪巡硕肆顺鰜恚〝?shù)據(jù)準(zhǔn)備的過程），但是你還得繼續(xù)等阿姨把菜（內(nèi)核空間）打到你的飯盒里（用戶空間），經(jīng)歷完這兩個(gè)過程，你才可以離開。

非阻塞 I/O 好比，你去了飯?zhí)?，問阿姨菜做好了沒有，阿姨告訴你沒，你就離開了，過幾十分鐘，你又來飯?zhí)脝柊⒁?，阿姨說做好了，于是阿姨幫你把菜打到你的飯盒里，這個(gè)過程你是得等待的。

基于非阻塞的 I/O 多路復(fù)用好比，你去飯?zhí)贸燥?，發(fā)現(xiàn)有一排窗口，飯?zhí)冒⒁谈嬖V你這些窗口都還沒做好菜，等做好了再通知你，于是等啊等（select 調(diào)用中），過了一會(huì)阿姨通知你菜做好了，但是不知道哪個(gè)窗口的菜做好了，你自己看吧。于是你只能一個(gè)一個(gè)窗口去確認(rèn)，后面發(fā)現(xiàn) 5 號(hào)窗口菜做好了，于是你讓 5 號(hào)窗口的阿姨幫你打菜到飯盒里，這個(gè)打菜的過程你是要等待的，雖然時(shí)間不長。打完菜后，你自然就可以離開了。

異步 I/O 好比，你讓飯?zhí)冒⒁虒⒉俗龊貌巡舜虻斤埡欣锖?，把飯盒送到你面前，整個(gè)過程你都不需要任何等待。

到此，相信大家對(duì)“Linux的I/O模型概念是什么”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！