2023-08-02  阅读(263)
原文作者:Ressmix 原文地址:https://www.tpvlog.com/article/346

我们在进行网络编程时,必然涉及网络I/O,比较常见的两种网络I/O编程模式就是 同步阻塞I/O同步非阻塞I/O 。 比如,传统的基于Socket的InputStrteam/OutputStream读写属于 同步阻塞I/O

事实上,Linux操作系统一共包含五种I/O模型,分别是:

  • 同步阻塞 I/O(Blocking IO):即传统的IO模型;
  • 同步非阻塞 I/O(Nonblocking IO):注意这里所说的NIO并非Java中的NIO库;
  • I/O 多路复用(IO Multiplexing):Java NIO和Linux中的epoll/select/poll都是这种模型;
  • 信号驱动 I/O(Signal Driven IO):实际中并不常用;
  • 异步 I/O(Asynchronous IO):经典的Proactor设计模式,也称为 异步非阻塞IO

本章,我将会对上述五种Linux IO模型进行讲解,作为后续Java NIO以及Netty原理剖析章节的基础。

一、基本概念

在讲网络I/O模型时,经常会提到 同步/异步阻塞/非阻塞 这两对概念。在这里,我有必要先对它们进行解释,便于读者理解后续内容。

在Linux系统中,每个进程有自己独立的缓冲区—— 进程缓冲区 ,而系统内核也有个缓冲区—— 内核缓冲区 。Linux/Unix系统在执行I/O请求时,会经历两个阶段:

  • 第一个阶段: I/O 调用阶段 ,用户进程向内核发起系统调用。

  • 第二个阶段: I/O 执行阶段 ,内核等待 I/O 请求处理完成返回,该阶段又可以分为两个过程:

    • 数据准备: 从磁盘读取数据至内核缓存区(或从内核缓存区写出数据到磁盘);
    • 数据复制 :内核空间的数据复制回进程缓存区。

下图以操作系统的write命令为例,数据会先被拷贝到进程缓冲区,再拷贝到OS内核缓冲区,最后才写到磁盘中:

202308022222558221.png

1.1 同步/异步

同步和异步,指的是OS内核真正进行I/O的方式,OS内核从磁盘读取数据到内核缓存区(或从内核缓存区写出数据到磁盘)。

  • 同步: 指OS内核进行I/O操作时,需要彻底完成后才返回到用户空间;
  • 异步: 指OS内核进行I/O操作时,被调用后立即返回给用户一个状态值,无需等到I/O操作彻底完成。

1.2 阻塞/非阻塞

阻塞和非阻塞,指的是 用户进程OS内核 的交互方式,用户进程会从内核缓存区读取数据(或写入数据到内核缓存区),这一过程涉及进程的挂起和唤醒。

  • 阻塞: 指用户进程发起IO请求后,需要等待或轮询操作系统内核的IO操作完成后,才能继续执行;
  • 非阻塞: 指用户进程发起IO请求后仍继续执行,当内核IO操作完成后会通知用户进程(者调用用户进程注册的回调函数)。

二、Linux IO模型

接下来,我们来看Linux的五种IO模型。

2.1 同步阻塞IO(blocking IO)

阻塞IO模型是最简单的IO模型,下图以操作系统的read命令为例:

202308022222564022.png

  1. 用户进程通过 read 命令发起I/O读系统调用;
  2. 用户空间切换到内核空间( 此时调用进程挂起,阻塞等待,称之为阻塞 );
  3. 内核等待数据准备,即从磁盘->内核缓存区( 此时称之为同步 );
  4. 内核接收完数据后,将数据从内核缓存区拷贝到进程缓存区中;
  5. 用户进程恢复,开始从进程缓存区读取数据。

特点:I/O操作的两个阶段都被Block了,用户进程被阻塞就不能做任何事情,对CPU的资源利用率不够。

2.2 同步非阻塞IO(nonblocking IO)

同步非阻塞IO,用户进程可以在发起IO请求后立即返回:

202308022222571553.png

  1. 用户进程通过 read 命令发起I/O读操作;
  2. 用户空间切换到内核空间( 此时调用进程立即返回,称之为非阻塞,然后不断轮询 );
  3. 内核等待数据准备,即从磁盘->内核缓存区( 此时称之为同步 );
  4. 内核接收完数据后,将数据从内核缓存区拷贝到进程缓存区中;
  5. 用户进程轮询发现已经有数据了,开始从进程缓存区读取数据。

特点:用户线程没有挂起,而是不断地轮询,消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型,而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

2.3 IO多路复用(IO multiplexing)

IO多路复用模型,是建立在OS内核提供的多路复用函数——select/poll/epoll(这三个命令都实现了IO多路复用功能,不过是出现早晚和细节功能有所差异)基础之上的,它的最大特点就是:单个线程可以同时监听多个数据通道,当任何一个数据通道发生IO事件时就通知线程。

在底层,多路复用函数,本质是一个线程可以监视多个文件描述符,一旦某个描述符就绪(一般是内核缓冲区可读/可写),内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后,应用程序根据就绪的状态,进行相应的IO系统调用:

202308022222579004.png

select命令为例:

  1. 用户进程调用select命令(调用时传入需要监听的通道集合),此时用户进程被阻塞;
  2. 内核会“监视”所有select负责的所有文件描述符集合;
  3. 当任一一个等待数据到达后,select会返回,用户进程恢复运行;
  4. 这时,用户进程可以调用read操作,将数据从内核缓存区拷贝到用户进程。

与多线程技术相比,IO多路复用技术的最大优势是系统开销小,一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接(Connection)。系统不必创建大量的线程,也不必维护这些线程 。

2.4 信号驱动 I/O(Signal Driven IO)

信号驱动 I/O 并不常用,它是一种半异步的 I/O 模型。在使用信号驱动 I/O 时,当数据准备就绪后,内核通过发送一个 SIGIO 信号通知应用进程,应用进程就可以开始读取数据了:

202308022222588365.png

2.5 异步IO(asynchronous IO)

异步IO,其执行的两个阶段都是异步的:从内核缓冲区拷贝数据到用户态缓冲区的过程由OS异步完成,应用进程只需要在指定的数组中引用数据即可。异步 I/O 与信号驱动 I/O 这种半异步模式的主要区别,在于信号驱动 I/O 由内核通知何时可以开始一个 I/O 操作,而异步 I/O 由内核通知 I/O 操作何时已经完成。

202308022223001166.png

  1. 用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事;
  2. 另一方面,操作系统开启独立的内核线程去处理真正的IO操作;
  3. 当等待数据到达后,内核负责读取数据,并写入用户进程缓冲区;
  4. 内核通知用户进程,告诉它可以去读数据了。

异步IO并不十分常用,不少高性能并发应用使用 IO多路复用+多线程处理 的架构,基本可以满足需求。目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善,更多的是采用IO多路复用+模拟异步IO的方式(IO事件触发时不直接通知用户线程,而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中)。

三、总结

本章,我对Linux系统的IO模型进行了讲解,特别是对 同步/异步阻塞/非阻塞 这两对容易混淆的概念进行了讲解。这两对概念本质上是对应了Linux系统继续IO读写的两个阶段, 同步/异步 用于描述内核空间中的磁盘读写, 阻塞/非阻塞 用于描述用户空间与内核空间的数据交换操作。

阅读全文
  • 点赞