LinuxIO

这是一篇关于LinuxIO的思维导图，主要内容包括：同步与异步、阻塞与非阻塞，IO具体在做什么事情，异步IO，信号驱动IO，IO多路复用，同步非阻塞IO模型，同步阻塞IO模型。

LinuxIO

• IO具体在做什么事情
  • 当用户进行一个文件读取请求时候
    • 1.磁盘数据通过DMA直接写入内核缓冲区(不需要CPU参与）
    • 2.将文件从内存缓冲区复制到用户缓冲区（需要CPU参与)
    • 需要内核拷贝2次数据，进行2次的用户态/内核态切换转换
• 同步与异步、阻塞与非阻塞
  • 阻塞
    • 调用者发起IO请求后，必须等待IO操作完成或是发生错误才能执行后续代码，在此期间，调用者会被挂起处于等待状态直到数据传输完毕
  • 非阻塞
    • 调用者发起IO请求后，非阻塞IO在IO条件未就绪的情况下并不会挂起调用者，此时立即返回eagin状态，使调用者能决定后续的处理
  • 阻塞/非阻塞：关注的是 调用者是否等待 I/O 完成（是否被挂起）
  • 同步
    • 指IO操作的执行过程就包含在本次的IO调用中，调用者拿到的是最终的数据，无论是成功的数据还是返回的错误
  • 异步
    • 触发的IO调用并不包含IO的执行过程，调用者发起的IO请求只是一个IO提交的过程，调用函数返回并不是IO操作完成，而在异步执行IO，后续通过某个机制，比如回调函数等，在未来某个时刻获取本次IO的执行结果
  • 同步/异步：关注的是 I/O 操作的执行方式
• 同步阻塞IO模型
  • 当用户程序进行IO请求时候，进程阻塞住，无法执行后续逻辑，等待IO完成后，才可以进行后续逻辑
  • 一个进程/线程只能处理一个IO
  • linux的文件读取大多都是同步阻塞IO模型
  • 优点：模型简单，易实现 缺点:在高并发场景下，需创建大量线程/进程，导致资源浪费
• 同步非阻塞IO模型
  • 当用户程序进行IO请求的时候，内核立即返回eagin状态，用户端可以轮询的区查询内核的状态，直到成功为止，这个过程中用户进行并不会停止，任然执行着后续逻辑
  • 优点：程序不用进行阻塞，等待的同时用户程序可以执行其他逻辑 缺点：频繁轮询会占用大量 CPU 资源
• IO多路复用
  • 一个进程/线程不在是只能处理一个IO，用户进行可以通过IO多路复用同时监听多个IO事件，当IO事件准备就绪时，进行可以进行IO的处理，虽然同一时间依然只能处理一个，但是一段时间内可以处理多个，达到了并发的效果
  • 一个进程/线程可以处理多个IO
  • 优点：提高了机器的IO能力，一个进程可以处理更多的IO 缺点:实现较为复杂
• 信号驱动IO
  • 让内核在文件描述符的数据就绪时候向用户程序发送信号，从而避免了进程对IO数据准备的持续等待。
  • 用户程序通过sigaction系统调用注册一个信号处理函数，并与文件描述符关联起来，当文件描述符IO事件就绪时候，内核给用户程序发送一个信号，用户程序在信号处理函数中执行IO操作
  • 优点：程序不用进行阻塞，等待的同时用户程序可以执行其他逻辑 缺点：实现复杂，用户需要自己实现信号的接收逻辑，且大量IO发生时，信号处理会带来性能问题
• 异步IO
  • 当用户程序进行IO请求时候，只是提交一个IO任务交给内核，不用阻塞和轮询查询，当内核IO操作完成后触发回调函数，通知用户程序IO已经完成
  • 优点：异步IO可以做到IO请求聚合，然后批量交给内核处理，大幅提高并发能力 缺点：部分系统（如早期 Linux）的异步 I/O 实现不完善，需依赖线程池模拟