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阻塞 IO, 非阻塞 IO, 同步 IO, 異步 IO 這些術(shù)語相信有不少朋友都也不同程度的困惑吧? 我原來也是, 什么同步非阻塞 IO, 異步非阻塞 IO 的, 搞的頭都大了. 后來仔細(xì)讀了一遍《UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程卷一 套接字聯(lián)網(wǎng) API(第三版)》的 6.2 章節(jié), 終于把這些名詞搞懂了.

下面我以《UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程卷一 套接字聯(lián)網(wǎng) API(第三版)》的 6.2 章節(jié)的內(nèi)容為準(zhǔn), 整理了一下各種網(wǎng)絡(luò) IO 模型具體定義以及一些容易混淆的地方.

簡介

• Unix 下有 5 種可用的 IO 模型, 分別是:
• 阻塞式 I/O
• 非阻塞式 I/O
• I/O 復(fù)用(select 和 poll)
• 信號驅(qū)動式 I/O (SIGIO)
• 異步 I/O (POSIX 的 aio_系列函數(shù))

阻塞式 I/O 模型

***的 IO 操作是阻塞式 IO(Blocking IO). 以 UDP 數(shù)據(jù)報套接字為例, 下圖是其阻塞 IO 的調(diào)用過程:

在上圖中, 進(jìn)程調(diào)用 recvfrom, 其系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)報返回并且被復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程的緩沖區(qū)中 或者發(fā)送錯誤時才返回. 因此進(jìn)程在調(diào)用 recvfrom 開始到它返回的整段時間內(nèi)都是被阻塞的.

非阻塞式 IO(Non-Blocking IO)

進(jìn)程把一個套接字設(shè)置為非阻塞是在通知內(nèi)核: 當(dāng)調(diào)用線程所請求的 IO 操作需要調(diào)用線程休眠來等待操作完成時, 此時不要將調(diào)用線程休眠, 而是返回一個錯誤.

如上圖所示, 前三次調(diào)用 recvfrom 時, 沒有數(shù)據(jù)可返回, 因此內(nèi)核轉(zhuǎn)而立即返回一個 EWOULDBLOCK 錯誤. 第四次調(diào)用 recvfrom 時, 已經(jīng)有數(shù)據(jù)了, 此時, recvfrom 會阻塞住, 等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)賦值到應(yīng)用進(jìn)程的緩沖區(qū)中, 然后再返回.(注意, 當(dāng)有數(shù)據(jù)時, recvfrom 是阻塞的, 它會等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程的緩沖區(qū)后, 才返回).

當(dāng)一個應(yīng)用進(jìn)程像這樣對一個非阻塞描述符循環(huán)調(diào)用 recvfrom 時, 我們稱之為輪詢(polling). 應(yīng)用進(jìn)程持續(xù)輪詢內(nèi)核, 以查看某個操作是否完成, 這么做會消耗大量的 CPU 時間, 不過這種模型偶爾也會遇到, 通常是專門提供某一種功能的系統(tǒng)中才有.

IO 復(fù)用模型

有了 IO 復(fù)用(IO multiplexing), 我們就可以調(diào)用 select 或 poll, 阻塞在這兩個系統(tǒng)調(diào)用中的某一個之上, 而不是阻塞在真正的 IO 系統(tǒng)調(diào)用上. 例如:

如上圖所示, 當(dāng)調(diào)用了 select 后, select 會阻塞住, 等待數(shù)據(jù)報套接字變?yōu)榭勺x. 當(dāng) select 返回套接字可讀這一條件時, 我們就可以調(diào)用 recvfrom 把所讀取的數(shù)據(jù)報復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū).

對比阻塞式 IO, IO 復(fù)用模型優(yōu)勢并不明顯, 并且從使用方式來說, IO 復(fù)用模型還需要多調(diào)用一次 select, 因此從易用性上來說, 比阻塞式 IO 還略有不足. 不過 select 的殺手锏在于它可以監(jiān)聽多個文件描述符, 大大減小了阻塞線程的個數(shù).

信號驅(qū)動 IO 模型

信號驅(qū)動模型如上圖所示. 當(dāng)文件描述符就緒時, 我們可以讓內(nèi)核以信號的方式通知我們.我們首先需要開啟套接字的信號驅(qū)動式 IO 功能, 并通過 sigaction 系統(tǒng)調(diào)用安裝一個信號處理函數(shù). sigaction 系統(tǒng)調(diào)用是異步的, 它會立即返回. 當(dāng)有數(shù)據(jù)時, 內(nèi)核會給此進(jìn)程發(fā)送一個 SIGIO 信號, 進(jìn)而我們的信號處理函數(shù)就會被執(zhí)行, 我們就可以在這個函數(shù)中調(diào)用 recvfrom 讀取數(shù)據(jù).

異步 IO 模型

異步 IO (asynchronous IO) 由 POSIX 規(guī)范定義, 在 POSIX 中定義了若干個異步 IO 的操作函數(shù). 這個函數(shù)的工作原理是: 告知內(nèi)核啟動某個動作, 并讓內(nèi)核在整個操作(包括將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū))完成后通知我們的應(yīng)用進(jìn)程.

異步 IO 模型和信號驅(qū)動的 IO 模型的主要區(qū)別在于: 信號驅(qū)動 IO 是由內(nèi)核通知我們何時可以啟動一個 IO 操作, 而異步 IO 模型是由內(nèi)核通知我們 IO 操作何時完成.

異步 IO 模型的操作過程如圖所示:

當(dāng)我們調(diào)用 aio_read 函數(shù)時(POSIX 異步 IO 函數(shù)以 aio_或 lio_ 開頭), 給內(nèi)核傳遞描述符, 緩沖區(qū)指針, 緩沖區(qū)大小(和 read 相同的三個參數(shù)) 和文件偏移(以 lseek 類似), 并告訴內(nèi)核當(dāng)整個操作完成時如何通知應(yīng)用進(jìn)程. 該系統(tǒng)調(diào)用立即返回, 而且在等待 IO 完成期間, 應(yīng)用進(jìn)程不被阻塞.

各種 IO 模型的比較

如圖所示, 上述五中 IO 模型中, 前四種模型(阻塞 IO, 非阻塞 IO, IO 復(fù)用, 信號驅(qū)動 IO)的主要區(qū)別在于***階段, 因為他們的第二階段是一樣的: 在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到調(diào)用者的緩沖區(qū)期間, 進(jìn)程阻塞于 recvfrom 調(diào)用. 而第五種, 即異步 IO 模型中, 兩個階段都不需要應(yīng)用進(jìn)程處理, 內(nèi)核為我們處理好了數(shù)據(jù)的等待和數(shù)據(jù)的復(fù)制過程.

關(guān)于同步 IO 和異步 IO

根據(jù) POSIX 定義:

• A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes(導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞, 直到 IO 操作完成).
• An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked(不導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞).

根據(jù)上述定義, 我們的前四種模型: 阻塞 IO 模型, 非阻塞 IO 模型, IO 復(fù)用模型和信號驅(qū)動 IO 模型都是同步 IO 模型, 因為其中真正的 IO 操作(recvfrom 調(diào)用) 會阻塞進(jìn)程(因為當(dāng)有數(shù)據(jù)時, recvfrom 會阻塞等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程空間, 當(dāng)賦值完成后, recvfrom 才返回.) 只有異步 IO 模型與 POSIX 定義的異步 IO 相匹配.

總結(jié)

在處理網(wǎng)絡(luò) IO 操作時, 阻塞和非阻塞 IO 都是同步 IO.只有調(diào)用了特殊的 API 才是異步 IO.

因此網(wǎng)上常說的 "同步阻塞 IO", "同步非阻塞 IO" 其實就是阻塞 IO 模型和非阻塞 IO 模型, 因為阻塞 IO 和非阻塞 IO 模型都是同步的, 加了 "同步" 二字其實是多余了.網(wǎng)絡(luò)上常說的 "異步非阻塞 IO" 其實就是異步 IO 模型.