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- BIO 、NIO 、AIO 總結(jié)
上篇講 BIO、NIO、AIO 的基本概念以及一些常見問題，介紹了 NIO 是同步非阻塞 ，服務(wù)器實現(xiàn)模式為一個線程可以處理多個請求(連接)，客戶端發(fā)送的連接請求都會注冊到多路復(fù)用器selector上，多路復(fù)用器輪詢到連接有IO請求就進行處理。那么I/O多路復(fù)用器到底是如何實現(xiàn)的？本篇我們來一探究竟。
為了加深對 I/O多路復(fù)用機制 的理解，以及了解到多路復(fù)用也有局限性，本著打破砂鍋問到底的精神，在這里我們先回顧下 Unix網(wǎng)絡(luò)編程中的五種IO模型。下篇再繼續(xù) 對 IO多路復(fù)用進行深入的學(xué)習(xí)。
- Blocking IO - 阻塞IO
- NoneBlocking IO - 非阻塞IO
- IO multiplexing - IO多路復(fù)用
- signal driven IO - 信號驅(qū)動IO
- asynchronous IO - 異步IO
Unix網(wǎng)絡(luò)編程中的五種IO模型
阻塞IO - Blocking IO
最傳統(tǒng)的一種IO模型，即在讀寫數(shù)據(jù)過程中會發(fā)生阻塞現(xiàn)象。
當(dāng)用戶線程發(fā)出IO請求之后，內(nèi)核會去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有就緒就會等待數(shù)據(jù)就緒，而用戶線程就會處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出CPU。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒之后，內(nèi)核會將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除block狀態(tài)。
也許有人會說，可以采用多線程+ 阻塞IO 來解決效率問題，但是由于在多線程 + 阻塞IO 中，每個socket對應(yīng)一個線程，這樣會造成很大的資源占用，并且尤其是對于長連接來說，線程的資源一直不會釋放，如果后面陸續(xù)有很多連接的話，就會造成性能上的瓶頸。
非阻塞IO - NoneBlocking IO
當(dāng)用戶線程發(fā)起一個 IO 操作后，并不需要等待，而是馬上就得到一個結(jié)果。如果結(jié)果是一個 error 時，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送 IO 操作。一旦內(nèi)核中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶線程的請求，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶線程，然后返回。
在非阻塞IO 模型中，用戶線程需要不斷地詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，也就說非阻塞IO不會交出CPU，而會一直占用CPU。
對于非阻塞IO就有一個非常嚴(yán)重的問題，在while循環(huán)中需要不斷地去詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，這樣會導(dǎo)致CPU占用率非常高，因此一般情況下很少使用while循環(huán)這種方式來讀取數(shù)據(jù)。
- 非阻塞式主要體現(xiàn)在用戶進程發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用的時候,這個時候系統(tǒng)內(nèi)核還沒有接收到數(shù)據(jù)報,直接返回錯誤給用戶進程,告訴“當(dāng)前還沒有數(shù)據(jù)報可達(dá),晚點再來”
- 用戶進程接收到信息,但是用戶進程不知道什么時候數(shù)據(jù)報可達(dá),于是就開始不斷輪詢(polling)向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起recvfrom的系統(tǒng)調(diào)用“詢問數(shù)據(jù)來了沒”,如果沒有則繼續(xù)返回錯誤
- 用戶進程輪詢發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用直至數(shù)據(jù)報可達(dá),這個時候需要等待系統(tǒng)內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)報到用戶進程的緩沖區(qū),復(fù)制完成之后將返回成功提示
IO多路復(fù)用 - IO multiplexing
所謂 I/O 多路復(fù)用機制，就是說通過一種機制，可以監(jiān)視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或?qū)懢途w），能夠通知程序進行相應(yīng)的讀寫操作。這種機制的使用需要 select 、 poll 、 epoll 來配合。
在多路復(fù)用IO模型中，會有一個內(nèi)核線程不斷地去輪詢多個 socket 的狀態(tài)，只有當(dāng)真正讀寫事件發(fā)送時，才真正調(diào)用實際的IO讀寫操作。因為在多路復(fù)用IO模型中，只需要使用一個線程就可以管理多個socket，系統(tǒng)不需要建立新的進程或者線程，也不必維護這些線程和進程，并且只有真正有讀寫事件進行時，才會使用IO資源，所以它大大減少來資源占用。
- IO復(fù)用模式是使用select或者poll函數(shù)向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起調(diào)用，阻塞在這兩個系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用，而不是真正阻塞于實際的IO操作(recvfrom調(diào)用才是實際阻塞IO操作的系統(tǒng)調(diào)用)
- 阻塞于select函數(shù)的調(diào)用,等待數(shù)據(jù)報套接字變?yōu)榭勺x狀態(tài)
- 當(dāng)select套接字返回可讀狀態(tài)的時候,就可以發(fā)起recvfrom調(diào)用把數(shù)據(jù)報復(fù)制到用戶空間的緩沖區(qū)
信號驅(qū)動IO - signal driven IO
在信號驅(qū)動IO模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起一個IO請求操作，會給對應(yīng)的socket注冊一個信號函數(shù)，然后用戶線程會繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒時會發(fā)送一個信號給用戶線程，用戶線程接收到信號后，便在信號函數(shù)中調(diào)用IO讀寫操作來進行實際的IO請求操作。這個一般用于UDP中，對TCP套接字幾乎沒用，原因是該信號產(chǎn)生得過于頻繁，并且該信號的出現(xiàn)并沒有告訴我們發(fā)生了什么請求。
用戶進程可以使用信號方式，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)核描述符就緒時將會發(fā)送SIGNO給到用戶空間，這個時候再發(fā)起recvfrom的系統(tǒng)調(diào)用等待返回成功提示，流程如下：
- 先開啟套接字的信號IO啟動功能，并通過一個內(nèi)置安裝信號處理函數(shù)的signaction系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)發(fā)起調(diào)用之后會直接返回；
- 其次，等待內(nèi)核從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)報之后，向用戶空間發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)可達(dá)的信號給信號處理函數(shù)；
- 信號處理函數(shù)接收到信息就發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用等待內(nèi)核數(shù)據(jù)復(fù)制數(shù)據(jù)報到用戶空間的緩沖區(qū)；
- 接收到復(fù)制完成的返回成功提示之后，應(yīng)用進程就可以開始從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。
異步IO - asynchronous IO
前面四種IO模型實際上都屬于同步IO，只有最后一種是真正的異步IO，因為無論是多路復(fù)用IO還是信號驅(qū)動模型，IO操作的第2個階段都會引起用戶線程阻塞，也就是內(nèi)核進行數(shù)據(jù)拷貝的過程都會讓用戶線程阻塞。
- 由POSIX規(guī)范定義，告知系統(tǒng)內(nèi)核啟動某個操作，并讓內(nèi)核在整個操作包含數(shù)據(jù)等待以及數(shù)據(jù)復(fù)制過程的完成之后通知用戶進程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，可以進行讀取數(shù)據(jù)；
- 與上述的信號IO模型區(qū)分在于異步是通知我們何時IO操作完成,而信號IO是通知我們何時可以啟動一個IO操作
總結(jié)
現(xiàn)代計算機服務(wù)器操作系統(tǒng)大部分都是基于linxu實現(xiàn),為處理高并發(fā)而采取NIO的模型,對于支持異步IO模型的系統(tǒng)持有不確定因素。
詳見 BIO 、NIO 、AIO 總結(jié)
同步與異步的定義
- 同步:發(fā)起一個fn的調(diào)用,需要等待調(diào)用結(jié)果返回,該調(diào)用結(jié)果要么是期望的結(jié)果要么是異常拋出的結(jié)果,可以說是原子性操作(要么成功要么失敗返回)
- 異步: 發(fā)起一個fn調(diào)用,無需等待結(jié)果就直接返回,只有當(dāng)被調(diào)用者執(zhí)行處理程序之后通過“喚醒”手段通知調(diào)用方獲取結(jié)果(喚醒的方式有回調(diào),事件通知等)
- 小結(jié): 同步和異步關(guān)注的是程序之間的通信
阻塞與非阻塞的定義
- 阻塞: 類比線程阻塞來說明,在并發(fā)多線程爭搶資源的競態(tài)條件下,如果有一個線程已持有鎖,那么當(dāng)前線程將無法獲取鎖而被掛起,處于等待狀態(tài)
- 非阻塞: 一旦線程釋放鎖,其他線程將會進入就緒狀態(tài),具備爭搶鎖的資格
- 小結(jié): 阻塞與非阻塞更關(guān)注是程序等待結(jié)果的狀態(tài)
- 由此可知,同步異步與阻塞非阻塞之間不存在關(guān)聯(lián),關(guān)注的目標(biāo)是不一樣的
同步IO與異步IO(基于POSIX規(guī)范)
- 同步IO: 表示應(yīng)用進程發(fā)起真實的IO操作請求(recvfrom)導(dǎo)致進程一直處于等待狀態(tài),這時候進程被阻塞,直到IO操作完成返回成功提示
- 異步IO: 表示應(yīng)用進程發(fā)起真實的IO操作請求(recvfrom)導(dǎo)致進程將直接返回一個錯誤信息,“相當(dāng)于告訴進程還沒有處理好,好了會通知你”
- 阻塞IO: 主要是體現(xiàn)發(fā)起IO操作請求通知內(nèi)核并且內(nèi)核接收到信號之后如果讓進程等待,那么就是阻塞
- 非阻塞IO: 發(fā)起IO操作請求的時候不論結(jié)果直接告訴進程“不用等待,晚點再來”,那就是非阻塞
IO模型對比
- 根據(jù)上述的同步與異步IO定義并結(jié)合上述的模型可知,只有異步IO模型符合POSIX規(guī)范的異步IO,其他IO模型都存在recvfrom系統(tǒng)調(diào)用被內(nèi)核阻塞,屬于同步IO操作
- 由此可知,阻塞IO與非阻塞IO可總結(jié)如下:
- 也就是說,要么稱為同步與異步IO,要么稱為上述5種模型的IO說法,注意上述的同步與異步的概念
- 大部分操作系統(tǒng)都是基于同步IO的方式實現(xiàn),對于支持異步IO模型的操作系統(tǒng)還不確定,在實際工作我們經(jīng)常會說Blocking-IO(阻塞IO)和Non-Blocking-IO(非阻塞IO),極少稱同步IO與異步IO
- 小結(jié): 同步與異步針對通信機制,阻塞與非阻塞針對程序調(diào)用等待結(jié)果的狀態(tài)
一句話總結(jié)：
- 阻塞IO與非阻塞IO
這是最簡單的模型，一般配合多線程來實現(xiàn)。
- 多路復(fù)用(select/poll/epoll)
一個線程解決多連接的問題
- 信號驅(qū)動IO模型
一種同步IO，更加靈活
- 異步IO模型
高效主流的模型，效率很高。
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