Unix 五种 I/O 模型

I/O模型是网络编程中必须要掌握的，也是计算机系统的重要内容之一，涉及通信的系统软件都会围绕文件描述符、I/O模型等知识展开。理解I/O模型是我们程序员的基本功，然而很多人其实并不清楚。

经典的《Unix网络编程》中介绍的五种I/O模型：

  1. 阻塞式I/O
  2. 非阻塞式I/O
  3. I/O复用 (select、poll、epoll)
  4. 信号驱动式I/O (SIGIO)
  5. 异步I/O (aio_系列函数)

介绍这些I/O模型之前，有一个重要知识点必须要明确：一个输入操作通常包括两个阶段：

  1. 内核态等待数据准备好（内核缓冲区接收数据）
  2. 从内核态往用户态拷贝数据（内核缓冲区数据到进程缓冲区）

内核态就是操作系统的Kernel，用户态就是用户进程。比如32位计算机，4G内存会分配1G作为内核空间，其它3G作为用户空间。用户进程通过系统调用切换到内核态，内核态才有权限操作系统资源，比如磁盘、键盘这种外设。

  • 内核缓冲区，可以减少和磁盘外设交互，提高I/O效率；
  • 用户缓冲区，可以减少系统调用的次数，换句话说就是减少用户态与内核态切换的成本。

阻塞式I/O

大部分我们用到的I/O系统调用默认都是阻塞的，就是如下图这样。注意这两个步骤：1. 等待内核缓冲区数据准备好 2. 数据从内核空间拷贝到用户空间。 一个recv操作等待两个步骤完成，一直处于阻塞。

非阻塞式I/O

非阻塞I/O，是体现在系统调用是立即返回的，而不是一直阻塞在等待内核准备好数据。这需要用户进程一直轮询这个调用，直到等到内核准备好数据。此时，仍然要阻塞在这个步骤，从内核拷贝数据到用户空间。

I/O多路复用

IO多路复用使用select、poll、epoll等系统调用（以select为例），阻塞的是select系统调用，也可以看出来select得到可读状态时也只是内核态准备好了，内核态拷贝到用户态时recv仍然是阻塞的。如果单从时序来看，IO复用似乎和阻塞IO没啥区别，确实是的。但是当有多个客户端连接，或者说多个文件描述符时，IO复用就能提现出其高效了。

信号驱动式I/O

从示意图中能看出，通过SIGIO系统调用是非阻塞的，而且不需要应用进程去轮询IO结果（进程可以去干别的），当内核缓冲区准备好时会有信号通知应用进程，应用进程仍需要阻塞接收数据。

异步I/O

异步I/O模型中，这些系统调用会告知内核在整个操作（包括步骤1和2）完成后，通知应用进程。这和信号驱动式I/O不同之处在于，信号驱动是内核缓冲区准备好了告知应用进程你可以I/O操作了；异步I/O是整个完成了，内核通知了应用进程。

几种I/O模型的对比

示意图清晰描述了几种I/O模型

参考

  • 《Unix网络编程》