I/O模型学习小记

基础概念

  1. 通过I/O模型学习同步/异步、阻塞/非阻塞基础概念,参考资料如下:
    《Unix网络编程》
    《网络编程释疑之:同步,异步,阻塞,非阻塞》
    《Java NIO:浅析I/O模型》
    《高性能IO模型浅析》

  2. 基础概念学习小结

  • 系统I/O操作涉及用户进程和内核进程两个通信主体,有四种常用I/O模型:阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O复用,异步I/O
  • 从用户进程主体角度来看,同步I/O请求操作分为两个阶段
    • A:等待内核准备数据,即数据完全到达内核空间
    • B:等待内核将数据从内核空间拷贝至用户空间
  • 阻塞和非阻塞I/O的区别发生在A阶段,如用户进程始终等待A阶段完成,则为阻塞I/O,否则为非阻塞I/O,而在B阶段,都需要用户进程进行数据读写操作
  • 从用户进程主体角度来看,异步I/O请求操作不感知内核主体的操作阶段,发送I/O请求后立即返回,内核会自动完成A、B阶段工作,并通知用户进程进行数据处理,此机制需要操作系统底层的支持,如下图所示

多路复用模型(IO Multiplexing)

  • 多路复用I/O模型是同步阻塞的,这里是从单个I/O线程的角度来说
  • 多路复用I/O阻塞在select、epoll这样的系统调用上,而不是阻塞在I/O系统调用recvfrom上
  • 对于单个I/O操作,多路复用并不比阻塞I/O有优势,反而增加了一次系统调用
  • 多路复用I/O的优势体现在同时处理多个文件描述符输入输出操作、多个套接字操作的时候,有任何一个准备就绪,select就可以返回(从并发的角度看,也有人认为这是“异步”,但从单个用户线程的角度看,仍处于等待数据或者拷贝数据的状态)
  • 多路复用I/O中,轮询每个socket状态是内核在进行的,这个效率要比用户进程要高的多,因此性能强于非阻塞I/O在用户进程中的轮询
  • 多路复用的几种系统调用之间的区别,参考《select、poll、epoll之间的区别总结》

容易发生混淆的坑

很多人将多路复用模型(IO Multiplexing)称之为异步阻塞I/O,这种方式将引起误解,为此,澄清如下:

Synchronous I/O versus Asynchronous I/O

POSIX defines these two terms as follows:

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes.
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

Using these definitions, the first four I/O models (blocking, nonblocking, I/O multiplexing, and signal-driven I/O) are all synchronous because the actual I/O operation (recvfrom) blocks the process. Only the asynchronous I/O model matches the asynchronous I/O definition.

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