I/O介紹

I/O通常有內(nèi)存IO、網(wǎng)絡I/O、磁盤I/O等，但我們通常說的是網(wǎng)絡I/O以及磁盤I/O。網(wǎng)絡I/O：本質(zhì)是socket讀取

每次I/O請求，都會有兩個階段組成： 第一步：等待數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)從磁盤到內(nèi)核內(nèi)存；將數(shù)據(jù)從磁盤文件先加載到內(nèi)核內(nèi)存空間（緩沖區(qū)），等待數(shù)據(jù)準備完成，時間較長。第二步：復制數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)內(nèi)核內(nèi)存到進程內(nèi)存；將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖復制到用戶空間的進程內(nèi)存中，時間較短。

Web請求處理過程

1.客戶端發(fā)起情況到服務器網(wǎng)卡

2.服務器網(wǎng)卡接受到請求后轉(zhuǎn)交給內(nèi)核處理

3.內(nèi)核根據(jù)請求對應的套接字，將請求交給工作在用戶空間的Web服務器進程

4.Web服務器進程根據(jù)用戶請求，向內(nèi)核進行系統(tǒng)調(diào)用，申請獲取相應資源（如：客戶端獲取圖片）

5.內(nèi)核發(fā)現(xiàn)Web服務器進程請求的是一個存放在本地硬盤上的資源，因此通過驅(qū)動程序連接磁盤

6.內(nèi)核調(diào)用磁盤，獲取需要的資源

7.內(nèi)核將資源存放在自己的緩存區(qū)中，并通知Web服務器進程

8.Web服務器進程通過系統(tǒng)調(diào)用取得資源，并將其復制到進程自己的緩沖區(qū)中

9.Web服務器進程形成響應，通過系統(tǒng)調(diào)用再次發(fā)給內(nèi)核以響應請求

10.內(nèi)核將響應發(fā)送至網(wǎng)卡

11.網(wǎng)卡發(fā)送響應給用戶

通過這樣的一個復雜過程，一次請求就完成了

簡單來說就是：

用戶請求——》送達用戶空間——〉系統(tǒng)調(diào)用——》內(nèi)核空間——〉內(nèi)核到磁盤上讀取圖片資源——》返回到用戶空間——〉響應給用戶

上述簡單的說明了一下，客戶端向Web服務器請求過程，在這個過程中，有兩個I/O過程：一是客戶端請求的網(wǎng)絡I/O，二個是Web服務器請求圖片磁盤I/O。

I/O模型名詞介紹

說到I/O模型，都會牽扯到同步、異步、阻塞、非阻塞這幾個詞，以下講解這幾個詞的概念。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞指的是執(zhí)行一個操作時等操作結束再返回結果，還是馬上返回結果。

阻塞（blocking）：指IO操作需要徹底完成后才返回到用戶空間，調(diào)用結果返回之前，調(diào)用者被掛起（當前線程進入非可執(zhí)行狀態(tài)，在這個狀態(tài)，CPU不會分配時間片，線程暫停運行）只有到到結果才進入活動狀態(tài)；

阻塞例子：海底撈的服務器為你點菜，當你點完菜后，服務員把消息傳到后廚，這時你就在餐桌上等待，直到廚師把湯鍋和配菜都準備好以后送到你桌上，你才能開吃。在上菜的過程中你還不能離開，因為你離開了之后服務員上菜了卻找不到你人，所以你就是能等待，這個時候你處于阻塞等待狀態(tài)，就是前面說的，你是調(diào)用者，你被掛起了，進入了非可執(zhí)行狀態(tài)。

非阻塞（nonblocking）：指I/O操作被調(diào)用后立即返回給用戶一個狀態(tài)值，無需等到I/O操作徹底完成，最終的調(diào)用結果返回之前，調(diào)用者不會被掛起；

非阻塞例子：海底撈的服務器為你點菜，當你點完菜后，服務員把消息傳到后廚，過了三分鐘，你跑到后廚問，我的鍋底或者肥牛卷好了沒有？后廚說沒好，然后你去處理其它事情，然后又過了五分鐘，你又跑到后廚問，我的某個菜好了沒有，如果沒有，你還是繼續(xù)做其他事情，然后等會再問一次，這個時候就是在I/O操作的同時，你沒有被掛起，可以操作其他事情，但是如果I/O操作完成，你需要立馬接受。

同步和異步

同步/異步關注的是消息通信機制

同步（synchronous）：調(diào)用者等待被調(diào)用者返回消息，才能繼續(xù)執(zhí)行。同步阻塞例子：去餐館吃飯，點了一個蓋澆飯，然后在餐桌上一直等到蓋澆飯做好，自己端到餐桌就餐。這就是典型的同步阻塞。當廚師給你做飯的時候，你需要一直在那里等著。

同步非阻塞例子：去餐館吃飯，點了一個蓋澆飯，你點完飯之后，過了幾分鐘感覺時間差不多了，就去問老板飯做好了沒有，如果好了就去端，如果沒好等一會再去問，實時同步做飯進度，依次循環(huán)去問直到飯做好，這就是同步非阻塞。 異步（asynchronous）：被調(diào)用者通過狀態(tài)、通知或回調(diào)機制主動通知調(diào)用者被調(diào)用者的運行狀態(tài)。

I/O模型類型

IO模型分為以下五類

1.阻塞型：所有過程全阻塞

2.非阻塞型：如果沒有數(shù)據(jù)buffer，則立即返回EWOULDBLOCK

3.I/O復用型（select和poll）：在wait和copy階段分別阻塞

4.信號驅(qū)動型I/O（SIGIO）：在wait階段不阻塞，但copy階段阻塞（信號驅(qū)動I/O），即通知

5.異步I/O（AIO）：完全無阻塞方式，當I/O完成時提供信號

阻塞I/O

說明：應用程序調(diào)用一個IO的recvfrom函數(shù)，會導致應用程序阻塞，進入阻塞狀態(tài)后直到I/O操作結束才會返回；如果系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)沒有準備好，那就一直等待數(shù)據(jù)準備，因為是調(diào)用了recvfrom函數(shù)導致了應用程序阻塞，所以一直在等，做不了任何事情，內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好之后把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間，拷貝結束后，I/O函數(shù)返回成功指示。注：其阻塞時在I/O操作階段

非阻塞I/O

說明：用戶線程發(fā)起IO請求時立即返回。但并未讀取到任何數(shù)據(jù)，則返回字段為“EWOULDBLOCK”，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請求，直到數(shù)據(jù)到達后，才真正讀取到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行。即“輪詢”機制。整個IO請求過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起IO請求后可以立即返回，但是為了等到數(shù)據(jù)。仍需要不斷地輪詢、重復請求、消耗了大量的CPU資源；是比較浪費CPU的方式，一般很少用這種模型，而是在其他模型中使用非阻塞IO這一特性。

I/O復用（select和poll）

說明：I/O復用模型會用到select或poll函數(shù)，在I/O復用模型中，并不是阻塞到I/O操作過程中，而是阻塞到select或者poll函數(shù)中；以select為例：進程在select處阻塞，等待幾個描述符中的一個變?yōu)榭刹僮鳎绻麤]等待到就繼續(xù)阻塞在第一階段，如果等到了一個描述符變?yōu)榱丝刹僮鳎瑒t調(diào)用recvfrom函數(shù)將數(shù)據(jù)拷貝到應用緩沖區(qū)。

信號驅(qū)動I/O（SIGIO）

說明：首先，我們允許套接口進行信號驅(qū)動I/O，并安裝一個信號處理函數(shù)SIGIO，如果數(shù)據(jù)沒有準備好，則立即返回結果，進程繼續(xù)工作并不阻塞。當數(shù)據(jù)準備好時，系統(tǒng)內(nèi)核會主動發(fā)送一個SIGIO信號給應用程序，應用程序收到信號后，可以在信號處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)recvfrom進行數(shù)據(jù)處理。信號驅(qū)動I/O模型的優(yōu)點是當數(shù)據(jù)報到達時，可以不阻塞，主循環(huán)可以繼續(xù)執(zhí)行，只是等待處理程序的通知，或者數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好被處理，或者數(shù)據(jù)報已經(jīng)準備好被讀了。

異步I/O（AIO）

說明：當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)通知和回調(diào)通知來告訴調(diào)用者的輸入輸出操作。用戶可以直接對I/O執(zhí)行讀寫操作，這些操作告訴內(nèi)核用戶讀寫緩沖區(qū)的位置，以及I/O操作完成之后內(nèi)核通知應用程序的方式，就是上面講的通過狀態(tài)通知或者回調(diào)通知來告訴調(diào)用者。異步I/O的讀寫操作總是立即返回，但沒有返回結果說是否阻塞，因為異步I/O操作真正的讀寫操作已由內(nèi)核接管，內(nèi)核自己對數(shù)據(jù)處理完成后生成一個信號，然后通知用戶剛才交給自己的事件已經(jīng)處理完成。

五種I/O模型的總結及比較

中文圖示如下：

英文圖示如下：

從兩張圖中我們可以看到，越往后，阻塞越少，理論上效率也是最優(yōu)。其中五種I/O模型中，前三種屬于同步I/O，后兩者屬于異步I/O。

同步I/O

阻塞I/O 非阻塞I/O I/O復用（select和poll）

異步I/O

信號驅(qū)動I/O（SIGIO） 半異步 異步I/O（AIO） 全異步

異步I/O和信號驅(qū)動I/O的區(qū)別

信號驅(qū)動I/O模式下，內(nèi)核可以復制的時候通知給我們應用程序發(fā)送SIGIO信號。異步I/O模式下，內(nèi)核在所有的操作由內(nèi)核操作完成后才會通知我們的應用程序。