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在网络环境下,通俗的讲,将IO分为两步:
1.等;
2.数据搬迁。
如果要想提高IO效率,需要将等的时间降低。
五种IO模型包括:阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路转接、异步IO。其中,前四个被称为同步IO。
在介绍五种IO模型时,我会举生活中钓鱼的例子,加深理解。
1.阻塞IO(blocking I/O)
A拿着一支鱼竿在河边钓鱼,并且一直在鱼竿前等,在等的时候不做其他的事情,十分专心。只有鱼上钩的时,才结束掉等的动作,把鱼钓上来。
在内核将数据准备好之前,系统调用会一直等待所有的套接字,默认的是阻塞方式。
其实,我们例子中所说的鱼竿就是这一个文件描述符。这个模型是我们最常见的,程序调用和我们编写的基本程序是一致的。
fd=connect();
write(fd);
read(fd);
close(fd);
程序的read必须在write之后执行,当write阻塞住了,read就不能执行下去,一直处于等待状态。
2.非阻塞IO(noblocking I/O)
B也在河边钓鱼,但是B不想将自己的所有时间都花费在钓鱼上,在等鱼上钩这个时间段中,B也在做其他的事情(一会看看书,一会读读报纸,一会又去看其他人的钓鱼等),但B在做这些事情的时候,每隔一个固定的时间检查鱼是否上钩。一旦检查到有鱼上钩,就停下手中的事情,把鱼钓上来。
其实,B在检查鱼竿是否有鱼,是一个轮询的过程。
每次客户询问内核是否有数据准备好,即文件描述符缓冲区是否就绪。当有数据报准备好时,就进行拷贝数据报的操作。当没有数据报准备好时,也不阻塞程序,内核直接返回未准备就绪的信号,等待用户程序的下一个轮寻。
但是,轮寻对于CPU来说是较大的浪费,一般只有在特定的场景下才使用。
3.信号驱动IO(signal blocking I/O)
C也在河边钓鱼,但与A、B不同的是,C比较聪明,他给鱼竿上挂一个铃铛,当有鱼上钩的时候,这个铃铛就会被碰响,C就会将鱼钓上来。
信号驱动IO模型,应用进程告诉内核:当数据报准备好的时候,给我发送一个信号,对SIGIO信号进行捕捉,并且调用我的信号处理函数来获取数据报。
4.IO多路转接(I/O multiplexing)
D同样也在河边钓鱼,但是D生活水平比较好,D拿了很多的鱼竿,一次性有很多鱼竿在等,D不断的查看每个鱼竿是否有鱼上钩。增加了效率,减少了等待的时间。
IO多路转接是多了一个select函数,select函数有一个参数是文件描述符集合,对这些文件描述符进行循环监听,当某个文件描述符就绪时,就对这个文件描述符进行处理。
其中,select只负责等,recvfrom只负责拷贝。
IO多路转接是属于阻塞IO,但可以对多个文件描述符进行阻塞监听,所以效率较阻塞IO的高。
5.异步IO(asynchronous I/O)
E也想钓鱼,但E有事情,于是他雇来了F,让F帮他等待鱼上钩,一旦有鱼上钩,F就打电话给E,E就会将鱼钓上去。
当应用程序调用aio_read时,内核一方面去取数据报内容返回,另一方面将程序控制权还给应用进程,应用进程继续处理其他事情,是一种非阻塞的状态。
当内核中有数据报就绪时,由内核将数据报拷贝到应用程序中,返回aio_read中定义好的函数处理程序。
很少有Linux系统支持,Windows的IOCP就是该模型。
可以看出,阻塞程度:阻塞IO>非阻塞IO>多路转接IO>信号驱动IO>异步IO,效率是由低到高的。