unix下的I/O

Stevens一共提出了五种 IO Model：

• blocking IO  
• nonblocking IO
• IO multiplexing (select and poll)
• signal driven IO (SIGIO)
• asynchronous IO (the POSIX aio_functions)

先说一下IO发生时所涉及的对象和步骤。
一个输入操作通常包括下面两个阶段：
 1 等待数据准备好 (Waiting for the data to be ready)。对于一个套接口上的输入操作，通常涉及等待数据从网络到达，到达后它被拷贝到内核的某个缓冲区。
 2 将数据从内核缓存区拷贝到进程缓冲区中 (Copying the data from the kernel to the process)
记住这两个阶段很重要，因为以下要讨论的五种IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

Blocking I/O Model（阻塞I/O）

默认情况下所有的套接口都是blocking。

进程调用recvfrom，其系统调用直到数据报到达（第一阶段）且被拷贝到应用进程的缓冲区中（第二阶段）或者发生错误（最常见的错误是系统调用被信号中断）才返回。进程在从调用recvfrom开始到它返回的整个过程是被阻塞的。recvfrom成功返回后，应用进程开始处理数据报。

Nonblocking I/O Model（非阻塞I/O）

前三次调用recvfrom时数据还没准备好，这是内核立即返回一个EWOULDBLOCK错误。第四次调用recvfrom时数据已准备好，它被拷贝到应用进程缓冲区，recvfrom接着成功返回，然后应用进程开始处理数据报。

这里最关键的一个操作就是轮询（polling）。应用进程持续轮询内核，以查看数据是否就绪。这样做往往会耗费大量的CPU时间，这种模型通常会在专门提供某种功能的系统才有。

 

I/O Multiplexing Model（I/O复用模型）

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回套接字可读这个条件，我们调用recvfrom把所读数据报拷贝到应用程序进程缓冲区。

和blocking IO的图比较，I/O复用并没有显示出什么优势。事实上，可能稍有劣势。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

Signal-Driven I/O Model（信号驱动I/O模型）

我们首先开启套接口的信号驱动I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。该系统调用将立即返回，我们的进程这是并没有被阻塞，而是继续执行。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后既可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它来读取数据报。无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达（第一阶段）期间，进程可以继续执行，不被阻塞。

 

Asynchronous I/O Model（异步I/O模型）

进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

这个模型工作机制是：告诉内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括第二阶段，即将数据从内核拷贝到进程缓冲区中）完成后通知我们。

这种模型和前一种模型区别在于：信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知我们I/O操作何时完成。

五种I/O模型介绍完了，下面来说说blocking和non-blocking的区别在哪，synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。

blocking I/Ovs non-blocking I/O ：调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

synchronous I/O vs asynchronous I/O：

先看看这两个定义：

 A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
 An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述前四种模型blocking I/O，non-blocking I/O，IO multiplexing,signal driven IO都属于synchronous IO。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候(第二阶段)进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

各个IO Model的比较如图所示：

 

前4种模型的主要区别在于第一阶段，因为它们的第二阶段都是一样的：在数据从内核缓冲区拷贝到进程缓冲区期间，进程阻塞与recvfrom这个系统调用中。