【Linux C | I/O模型】Unix / Linux系统的5种IO模型

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🕛发布时间🕛：2024-02-01 00:09:45

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🎄一、概述

✨1.1 什么是 I/O

I/O 是 Input/Output 的缩写，意思是输入输出，一般指操作系统与硬件设备(磁盘、网卡)的数据写入或读取。常见的IO有以下两种：

磁盘I/O：与磁盘的数据交互，读取磁盘数据 或 写入数据到磁盘；在Linux编程中，可以使用open、read、write等函数来操作文件描述符实现与磁盘的数据交互。
网络I/O：通过网卡与其他主机或本机其他进程的数据交互；在Linux编程中，可以使用socket、read、write等函数来操作套接字描述符实现网络I/O。

✨1.2 五种 I/O 模型介绍

在了解 I/O 模型之前，先看看操作系统是怎样与磁盘或网卡交换数据(操作I/O)的，一般分为两个步骤，下面以数据输入为例：

1、等待数据到达网卡(或数据已存在与磁盘)，将数据复制到内核的某个缓冲区；
2、再将数据复制到应用层的进程的缓冲区。

之所以这样要分成这两个步骤去操作IO，是因为操作系统是分层的，有内核空间和用户空间，操作硬件设备都需要通过内核去操作，用户空间一般不直接操作硬件。
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正是因为，数据从硬件设备到应用层缓冲区需要经过内核，所以存在一个等待的过程，这个过程被称为阻塞。由于这个阻塞的情况，再加上内核一些避免阻塞的机制，使 Unix / Linux 系统有5种 I/O 模型：

阻塞I/O模型：一直等待数据到应用层缓冲区；
非阻塞I/O模型：不等待数据完成，如果数据没到应用层就返回错误；
复用式I/O模型：不等待数据完成，让其他系统调用帮忙等着；
信号驱动式I/O模型：不等待数据完成，让内核准备好数据后就通知进程；
异步I/O模型：告诉内核要读取哪些数据，让内读取完数据后再通知进程。

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🎄二、阻塞I/O模型

阻塞I/O模型是使用得最多的IO模型，默认情况下，大部分IO操作都是阻塞的。

阻塞是指调用该系统调用后，需要等待内核获取完数据，再把数据复制到应用层缓冲区后，该系统调用才回返回。

如下图：应用层的进程调用recvfrom后，告诉内核要读取某个套接字的数据，内核就开始等待数据，等到数据准备好了，再将数据复制到应用层的用户空间，复制完成后，recvfrom函数读取到数据并返回。

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阻塞I/O模型，就像你要去买奶茶，但前面很多人在买，你的奶茶没做好，你就一直在奶茶店等着你的奶茶，直到做好拿走。

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🎄三、非阻塞I/O模型

进程把一个描述符fd设置成非阻塞是在通知内核：当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠，才能完成时，不要把本进程投入睡眠，而是返回一个错误(EWOULDBLOCK)。EWOULDBLOCK这个单词由would block组成，表示告诉进程会阻塞。

看下图，应用层的进程调用recvfrom获取数据时，因为内核准备好的数据，直接返回EWOULDBLOCK，紧接着，进程又调用recvfrom获取数据，内核仍没有准备好的数据，返回EWOULDBLOCK，前面三次都没有数据，知道第四次调用recvfrom获取数据时，内核的数据准备好了，将数据复制到用户空间，返回给应用的调用进程。

轮询：当一个进程对一个非阻塞的描述符循环调用recvfrom，称为轮询。应用程序持续轮询内核，会消耗大量的CPU时间，所以这样轮询访问数据的模型比较少用。轮询访问就类似下面伪代码。

while（1）
{recvfrom(...);usleep(1000);
}

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非阻塞I/O模型，就像你要去买奶茶，但前面很多人在买，你来拿奶茶时，奶茶店没做好，你就马上走了，过一会又来拿，又没做好，你又走了，过一会又来拿。。。这样循环来查看奶茶做好了没，直到某一次，奶茶做好了，你就拿走。

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🎄四、复用式I/O模型

I/O复用(I/O multiplexing)，可以让我们阻塞在其他系统调用函数上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。但是阻塞在其他系统调用函数也还是阻塞啊，有什么区别吗？区别在于，如果需要对多个(大于1个)描述符进行IO操作时，select或poll系统调用可以同时监控多个描述符是否可读、可写，而阻塞IO只要阻塞在那就干不了其他事情了。

下图使用select函数演示复用I/O模型，应用层进程调用select系统调用，并将感兴趣的描述符通知内核，内核等待数据到达，发现select函数感兴趣的描述符的数据准备好了，就马上让select返回该描述符可读，然后进程再调用recvfrom函数来获取数据，因为此时数据已准备好，所以内核直接将数据复制到用户空间，返回给recvfrom的调用进程。
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复用式I/O模型，就像你要去买奶茶，但前面很多人在买，你就花钱找了个黄牛，帮你在那里等，奶茶做好之后，黄牛就打电话让你来拿。

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🎄五、信号驱动式I/O模型

信号驱动式I/O模型，让内核在描述符的数据准备好的时候发SIGIO信号给进程，进程再调用recvfrom函数来获取数据。

信号驱动式IO是指进程预先告知内核，使得当某个描述符上发生某事时，内核使用信号通知相关进程。

针对一个套接字使用信号驱动式IO (SIGIO）要求进程执行以下3个步骤。
(1)建立SIGIO信号的信号处理函数。
(2)设置该套接字的属主，通常使用fcntl的F_SETOWN命令设置。
(3)开启该套接字的信号驱动式IO，通常通过使用fcnt1的F_SETFL命令打开O_ASYNC标志完成。

下图：先建立了SIGIO信号处理函数并设置其他配置，然后使用sigaction注册SIGIO的处理函数到内核，内核数据准备好了就会给该进程发送SIGIO信号，进程接收SIGIO信号后，进入SIGIO的信号处理函数，然后会调用recvfrom函数，此时数据已准备好，所以内核直接将数据复制到用户空间，返回给recvfrom的调用进程。

在这里插入图片描述信号驱动式I/O模型，就像你要去买奶茶，但前面很多人在买，你不想等，于是，你把手机号码给到奶茶店，等奶茶做好了，店主给你打电话，你再去拿奶茶。

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🎄六、异步I/O模型

异步I/O(asynchronous I/O)的工作机制是：告知内核启动某个I/O操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到我们自己的缓冲区）完成后通知我们。这种模型与信号驱动式I/O模型的主要区别在于：信号驱动式IO是由内核通知我数据准备好了，可以读取了；而异步I/O通知到进程时，数据已经读取完了。

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异步I/O模型，就像你要去买奶茶，但前面很多人在买，你不想等，就干脆点外卖，等奶茶做好了，直接送到你手里，不需要你再去店里拿了。