浅谈I/O模型
作为程序员,在日常工作中,都或多或少的接触过网络I/O这个概念,接触过网络编程,听说过socket等等,但是对于更深层次的理解,多少还是有点欠缺,通过本文,可以了解网络中最重要的模块I/O,以及对几种网络模型的介绍,在我们日常工作开发过程中,可以针对特定需求,选择特定的网络模型,达到事半功倍的效果。
0 什么是I/O
通常指数据,在内部存储器和外部存储器或其他周边设备之间的输入和输出。
是信息处理系统(例如计算器)与外部世界(可能是人类或另一信息处理系统)之间的通信。输入是系统接收的信号或数据,输出则是从其发送的信号或数据。该术语也可以用作行动的一部分;到“运行I/O”是运行输入或输出的操作。
Unix 系统下,不论是标准输入还是借助套接字接受网络输入,都有两个步骤:
- 等待数据准备好(Waiting for the data to be ready)
- 从内核向进程复制数据(Copying the data from the kernel to the process)
输入/出设备是硬件中由人(或其他系统)使用与计算器进行通信的部件。例如,键盘或鼠标是计算器的输入设备,而监视器和打印机是输出设备。计算器之间的通信设备(如电信调制解调器和网卡)通常运行输入和输出操作。 简单来说,就是用户进程与内核交互,而内核与硬件进行交互。
1 阻塞式I/O模型
应用程序发起I/O系统调用,在获得结果之前,应用程序进程会一直阻塞,直到获得结果(有数据返回或者操作超时)。
默认情况下,Unix系统上的所有文件描述符都以“阻塞模式”开始。这意味着read、write或connect之类的I/O系统调用在默认情况下,都是阻塞的。
为了理解这一点,我们假如有个程序,在终端上等待标准输入(stdin),此时,假如通过调用read函数来实现该功能,那么该程序将被阻塞,直到有实际的数据可用(例如当用户在键盘上敲入字符时)。具体来说,内核将把进程置于“休眠”状态,直到数据在stdin上可用。其他类型的文件描述符也是如此。例如,如果您尝试从TCP套接字读取数据,那么read调用将阻塞,直到连接的另一端实际发送数据为止。
当在我们执行了上述代码,那么,在该执行代码的进程内,会调用read函数,最终会进入kernel态,此时,会进入kernel态的第一个步骤即I/O等待数据状态。
从用户进程的角度来说,会被阻塞。直到超时或者键盘输入了数据,从kernel态将数据拷贝到了用户态的内存,此时用户进程才接触阻塞,程序开始执行下面其他步骤。
特点:
用户进程会一直阻塞等待kernel,直到kernel将数据返回
2 非阻塞式I/O模型
通常通过将socket描述符设置为O_NONBLOCK模式。
如果一个socket描述符被设置为非阻塞的,那么在数据准备好之前,调用read函数,会返回-1,而errno会被设置为EWOULDBLOCK。
从上图可以看出,当在用户进程调用read系统调用之后,如果kernel态没有数据,那么read调用会马上返回,而不会阻塞用户进程。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是用户就可以在本次到下次再发起read询问的时间间隔内做其他事情,或者直接再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存(这一阶段仍然是阻塞的),然后返回。
整个过程,可以概括为,用户进程不断的调用read系统调用,询问kernel数据是否准备好,所以,非阻塞式I/O模式可以理解为是一个不断循环询问kernel的模式。
非阻塞式I/O较阻塞式I/O来说,性能提升了很多,但仍然存在很多问题,比如:
1、当数据输入非常慢时,程序会频繁而不必要地唤醒,从而浪费CPU资源。
2、当数据进入时,如果程序处于睡眠状态或者正在处理其他逻辑,它可能不会立即读取数据,因此程序的延迟将很差。
3、用这种模式处理大量的文件描述符将变得很麻烦。
特点:
1、用户进程会不断的询问kernel数据是否已经准备好
2、抽象的讲,非阻塞I/O与异步I/O类似,区别是一个不断的去轮询kernel,一个是通过被动通知的方式。2、抽象的讲,非阻塞I/O与异步I/O类似,区别是一个不断的去轮询kernel,一个是通过被动通知的方式。
3 信号驱动式I/O模型
当进程发起一个IO操作,会向内核注册一个信号处理函数,然后进程返回不阻塞;当内核数据就绪时会发送一个信号给进程,进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。
信号驱动式I/O在TCP中用处不大,这是因为该信号在TCP套接字中产生的过于频繁。
以下条件均会导致对一个TCP套接字产生SIGIO信号:
- 监听套接字上某个连接请求已经完成;
- 某个断连请求已经发起;
- 某个断连请求已经完成;
- 某个连接对端已经关闭;
- 数据到达套接字;
- 数据已经从套接字发送走;
- 发生某个异步错误。
当然,我们可以对TCP监听套接字可以使用SIGIO,这样我们就可以在信号处理函数中处理新连接了。
对于UDP,只有以下两个条件才会产生SIGIO信号:
- 数据报到达套接字;
- 套接字上发生异步错误。
所以,针对UDP套接字产生的SIGIO信号,我们只要调用recvfrom读入到达的数据,或者获取发生的异步错误就可以了。
> 该模式比较复杂,在实际使用中不是很多,在内核2.6中才开始引入。
4 异步I/O模型
同步I/O意味着当您想读或写某个东西时,可能需要调用一个名为read()或write()的函数,函数会阻塞,阻止执行进一步移动,直到读或写完成。这就是普通文件读写的典型工作方式。打开一个文件,然后调用read(),它用所需的数据填充一个缓冲区,并在完成所有操作后返回,这样就可以用所需的数据填充一个缓冲区。
异步I/O恰恰相反。与读写函数等待请求的操作完成后再返回不同,异步I/O操作将立即返回到程序,而读写操作将在后台继续。
这有什么好处?这意味着你的程序或游戏可以继续扔东西在屏幕上,更新输入,滚动进度条,无论什么,而所有的硬盘驱动器的数据处理你想要的。您还可以向系统发送多个IO请求,这样操作系统就可以找到访问所有所需数据的最有效方法。
用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。
在异步IO中,以下几个概念非常重要:
aio_read()
函数告诉系统要读取的文件、开始读取的偏移量、要读取的字节数以及要将要读取的字节放在何处。
aio_error()
检查IO请求的当前状态。使用这个函数你可以查出请求是否成功。你所要做的就是给它一个地址,地址和你给aio\u read()的地址相同。如果请求成功完成,则函数返回0;如果请求仍在工作,则返回EINPROGRESS;如果发生错误,则返回其他错误代码。
aio_return()
检查IO请求的结果,一旦您发现请求已经完成。如果请求成功,此函数返回读取的字节数。如果失败,那么函数返回-1。
下面是异步I/O模型的一个简单例子,通过本例,可以简单的了解该模型的大致流程。
特点:
1、用户程序告诉kernel其要执行某个操作,不等kernel回复就立即返回
2、kernel完成整个操作,包括将获取的数据拷贝到用户的buffer之后,再通知用户。
5 I/O多路复用
I/O多路复用是这样一种能力,它告诉内核,如果一个或多个I/O条件已经就绪,比如输入已经准备好被读取,或者描述符能够获取更多的输出,我们就需要得到通知。
I/O复用模型使用select、poll、epoll函数,这些函数也会阻塞进程,但与阻塞I/O不同的是,这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。对于多个读操作、多个写操作,可以同时检测I/O函数,直到有数据可读或可写时,才实际调用I/O操作函数。
当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。
IO多路复用适用如下场合:
(1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口)
(2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。
(3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。
(4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP
(5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议
1、多路复用模式有select、poll以及epoll函数,每个函数的性能特点以及开发难以程度各不同,需要根据实际需求,择优选择。
2、现在基本上所有的商用或者大型程序,都是用的多路复用与非阻塞两个模式相结合的方式
参考资料
https://fwheel.net/aio.html
https://www.itzhai.com/articles/it-seems-not-so-perfect-signal-driven-io.html
https://eklitzke.org/blocking-io-nonblocking-io-and-epoll
https://notes.shichao.io/unp/ch6/
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