系统的几种IO模型

前言：

1.在计算机系统中，操作系统充当着IO操作等这个硬件相关的功能具体实现的基本角色之一。而我们所开

发的应用程序中所涉及到硬件相关的操作时，本质上是通过调用操作系统给我们提供的函数来实现的。

2.概念介绍

用户态和系统态：

用户态：当cpu执行的指令处在用户层时，此时程序处于用户态。

系统态：当cpu执行的指令处在系统层时，此时程序处于系统态。

阻塞和非阻塞：

阻塞：某个事件执行过程中，发出执行操作的请求，而该请求操作需要的条件不满足，那么就会一

直在那等待，直至条件满足。在IO操作中即为系统调用发起到IO执行开始这一段过程。

非阻塞：当某个事件执行过程中，发出执行操作的请求，而该请求操作需要的条件不满足，会立即

返回一个标志信息告知条件不满足，发起者就不会一直在那等待。在IO操作中即为系统调用

发起，若不满足执行IO操作时，系统层向用户层返回信息，用户层就不会等待。

同步和异步：

同步：某个事件的发生，就必须逐个顺序地进行，从而会导致整个流程的暂时等待，事件外的事件

没有办法并发地执行。在IO操作中表现为当IO操作发生时，用户层的其他流程无法执行(站在

用户层程序的角度看，IO操作发生时，我程序的其他部分无法执行了)。

异步：某个事件的发生，不会导致整个流程的暂时等待，事件外的事件可以并发地执行。在IO操作

中表现为当IO操作发生时，用户层的其他流程照样执行(在用户层程序来看)。

IO操作主要流程：

1.用户程序调用系统IO函数。

2.系统等待数据就绪。

3.将IO数据由系统内存空间拷贝到用户内存空间。

4.用户程序操作IO函数调用返回的数据。

操作系统IO模型：

1.目前操作系统的IO模型有5中：阻塞IO/非阻塞IO/IO复用/事件驱动IO/异步IO

1.1.阻塞式IO

第一阶段是指磁盘把数据装载到内核的内存中空间中。

第二阶段是指内核的内存空间的数据copy到用户的内存空间(这个才是真实I/O操作)。

1.2.非阻塞式IO

每隔一段时间，询问系统数据是否准备完成，在用户层上则表现为需不断while循环调用询问数据是

否就绪。

1.3.IO复用

1.需使用两个系统调用(上图标注1和2)，1中的系统调用为操作系统提供的一种机制(linux提供了

select和poll两中实现)，称为复用器。

2.IO复用流程介绍：a)select/poll机制主要功能时帮助调用者寻找在其上注册过切就绪的设备(就

是非阻塞IO中将由用户层来判断是否数据已就绪的功能交给系统来做，并且

可以判断多个IO设备)，用户层程序调用后会被阻塞。

b)当有设备数据就绪时，通知调用者。

c)调用者即可进行IO数据的系统调用

3.好处：只需启动一个线程不断去轮询复用器上注册IO设备的状态即可，避免了一个线程对应一

个IO设备的情况，减少了资源占用。

1.4.事件驱动IO

1.采用回调的方式，给相应IO设备事件注册事件处理函数，用户层程序继续往下执行由系统来关

注数据是否就绪，并通过发生信号来通知用户层程序来调用事件处理函数。

2.好处：等待数据准备好这段时间，用户层程序不会处于阻塞状态中。

3.如果一个事件通知一个进程,进程正在忙的，提供一下两种机制处理

水平触发机制: 内核通知进程来读取数据，进程没来读取数据，内核需要一次一次的通知进程。

边缘触发机制: 内核只通知一次让进程来取数据,进程在超时时间内,随时可以来取数据,把这个事

件信息状态发给进程,好比发个短息给进程( nginx默认采用了该机制)。

1.5.异步IO

1.不同于以上的IO模型，当IO数据就绪后，也是由系统负责将数据拷贝到用户层中，再通过信号

通知用户层程序后，用户层程序就直接可以操作IO调用后返回的数据了(用户层程序无需发起读

取数据的系统调用了)。

总结：

1.我们可以看出IO操作的功能实现逐步移至系统层，避免用户层到系统层上下文的切换。