Unix 中的 I/O 模型

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作者：Pedlar（本文来自作者投稿）

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一. POSIX对同步、异步I/O的定义

我们先大致看看POSIX对同步、异步的定义，不用细究，重点看我标红的部分就行。

• 同步I/O会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

• 异步I/O不会导致请求进程阻塞。

二. 同步、异步，阻塞、非阻塞

个人理解同步与否与阻塞与否只是看待问题的不同维度，不用过于追究同步和阻塞有什么区别、以及异步和非阻塞有什么区别。

我用小明购买火车票的例子大致先讲述下同步、异步，阻塞、非阻塞这几种情况的组合。

• 同步阻塞，小明去火车站买票。首先，他需要在某一个售票窗口排队，当轮到他买票时，他需要告诉售票员他需要一张去上海的火车票，然后售票员需要去系统查询是否还有余票，有的话再收款出票，最后再把票给小明。在火车票到手之前，小明都不能做其他的事情，这种情况我们可以理解为阻塞。

• 同步非阻塞，小明委托黄牛帮忙买火车票，然后小明可以做其他事情，但是需要每隔10分钟就打电话去询问黄牛票是否买到。黄牛买到票后，打电话通知小明说票已经买到，小明再去黄牛那里取火车票。这里的非阻塞指的是黄牛在买票的过程中，小明是不用等待的，他可以做其他事情，只是需不时地去询问黄牛票是否买好。但是，在小明去黄牛那里取票的过程中，小明还是不能做其他事情。

• 异步阻塞，基本上没有这个说法。

• 异步非阻塞，小明委托黄牛帮忙买火车票，然后小明可以做其他事情，黄牛买好票后会自动把票送到小明的家里。在这整个过程中，小明都可以做他自己想做的事情，不会被阻塞。

三. Unix中的I/O模型

OK，有了上面的基础过后，我们可以开始讲I/O模型了。

在网络Socket的输入操作中，I/O大致可以分为两个阶段，这个两个阶段大家务必掌握：

1. 数据从网络中抵达，然后数据被复制到系统内核的缓冲区；

2. 系统内核将内核缓冲区中的数据复制到用户进程的缓冲区中。

在Unix中有5种I/O模型，它们是：

1. 阻塞式I/O

2. 非阻塞式I/O

3. 多路复用I/O

4. 信号驱动I/O

5. 异步I/O

下面，我们逐一分析每种I/O模型。

1.阻塞式I/O

阻塞式I/O，即Blocking I/O。用户发起一个recvfrom系统调用，内核会等待数据从网络中到达。一旦数据准备就绪，系统内核将把自己的缓冲区中的数据拷贝到用户进程的缓冲区。在系统内核等待数据、复制数据的过程中，用户进程是不能做其他任何事情的，只能等待内核完成上述一系列的操作。

2.非阻塞式I/O

与阻塞式I/O不同，非阻塞式I/O中，用户进程在发起recvfrom系统调用后可以立即返回，但是用户进程需要不时地循环询问系统内核数据是否已经准备就绪，即轮询（polling）。轮询往往会消耗大量的CPU时间。

下图中，用户进程发起recvfrom系统调用，由于系统内核中数据尚未就绪，内核会立即返回EWOULDBLOCK错误码，防止用户进程阻塞。如此往复，直到系统内核中数据准备就绪。在数据就绪前，用户进程是非阻塞的，这也就是为什么这种模型叫非阻塞式I/O的原因。数据就绪后，和阻塞式I/O一样，内核将数据拷贝至用户进程，在数据拷贝的过程中，用户进程是阻塞的。

3.多路复用I/O

多路复用I/O的关键函数为select或者poll。我们以select函数为例，当我们调用该函数时，用户进程将阻塞，直到系统内核中的数据准备好。数据就绪后，系统会通知用户进程数据已经可读，然后用户进程会发起recvfrom系统调用，将数据从内核拷贝到用户进程，在数据拷贝期间，用户进程是阻塞的。

使用多路复用的优势是我们可以等待多个描述符就绪，对应到Java NIO多路复用模型中就是我们可以使用一个线程监听多个Channel的请求。

4.信号驱动I/O

信号驱动I/O模型主要是让内核在描述符就绪的时候发送SIGIO信号通知用户进程，据我的了解，这种I/O模式运用的并不多，这里就不多描述，直接看图吧。

5.异步I/O

用户进程在调用异步I/O函数后会立即返回，并且会让内核在完成所有操作后通知用户进程。在内核进行I/O操作的期间，我们的用户进程不会阻塞。特别需要注意的是，和前面四中I/O模型不同，异步I/O模型在内核将数据拷贝到用户进程时，我们的用户进程不会阻塞。

四. I/O模型对比

对比上述5中I/O模型我们可以发现，前面4种模型的区别主要在第一阶段，而第二阶段都是一样的，即将数据从内核拷贝到用户进程时都会阻塞。根据POSIX对同步、异步I/O的定义，可以得出前4种模型都属于同步I/O。而第5种I/O，即异步I/O，两个阶段的操作都是由系统内核来处理的，用户进程并没有介入。

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