Linux下5种IO模型的小结

zhongl

概述

　　接触网络编程，我们时常会与各种与IO相关的概念打交道：同步(Synchronous)、异步(ASynchronous)、阻塞(blocking)和非阻塞(non-blocking)。关于概念的区别在知乎上看到一位朋友（链接）打了一个比较形象的比喻：

　　你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，”我查一下"，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。
而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下啊，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。
　　你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果。如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了， 当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。
　　在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

　　同步与异步的主要区别就在于：会不会导致请求进程（或线程）阻塞。同步会使请求进程（或线程）阻塞而异步不会。
　　linux下有五种常见的IO模型，其中只有一种异步模型，其余皆为同步模型。如图：



阻塞IO模型　　阻塞IO模型是最常见的IO模型了，对于所有的“慢速设备”（socket、pipe、fifo、terminal）的IO默认的方式都是阻塞的方式。阻塞就是进程放弃cpu，让给其他进程使用cpu。进程阻塞最显著的表现就是“进程睡眠了”。阻塞的时间通常取决于“数据”是否到来。
　　



非阻塞IO模型　　非阻塞IO就是设置IO相关的系统调用为non-blocaking，随后进行的IO操作无论有没有可用数据都会立即返回，并设置errno为EWOULDBLOCK或者EAGAIN。我们可以通过主动check的方式（polling，轮询）确保IO有效时，随之进行相关的IO操作。当然这种方式看起来就似乎不太靠谱，浪费了太多的CPU时间，用宝贵的CPU时间做轮询太不靠谱儿了。图示：



多路复用IO模型　　多路复用是让阻塞发生在我们的多路复用IO操作的系统调用上面，而不是我们真正去执行IO的系统调用。使用这个方式的好处就是可以同时监控多个用于IO的文件描述符。详细的使用方式之前写了一篇博客有提到：http://www.cnblogs.com/ittinybird/p/4574397.html



信号驱动IO模型　　所谓信号驱动，就是利用信号机制，安装信号SIGIO的处理函数（进行IO相关操作），通过监控文件描述符，当其就绪时，通知目标进程进行IO操作（signal handler）。具体使用方法之前博客也有说明：http://www.cnblogs.com/ittinybird/p/4574397.html



异步IO模型　　Linux上异步IO有一组POSIX规定的接口，已aio开头的几个SYSCALL。如下：



int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
                                  使用时记得 Link with -lrt.
　　参数看起来给人一种很简洁的假象。其实相较于其他模型的参数一个也没有少，只是放到了结构体里边了。先看一下struct aiocb这个结构的原型吧，头文件是”aio.h“。



struct aiocb
{
int aio_fildes;       /* File desriptor.  */
int aio_lio_opcode;       /* Operation to be performed.  */
int aio_reqprio;      /* Request priority offset.  */
volatile void *aio_buf;   /* Location of buffer.  */
size_t aio_nbytes;        /* Length of transfer.  */
struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.  */
/* Internal members.  */
struct aiocb *__next_prio;
int __abs_prio;
int __policy;
int __error_code;
__ssize_t __return_value;
#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
__off_t aio_offset;       /* File offset.  */
char __pad[sizeof (__off64_t) - sizeof (__off_t)];
#else
__off64_t aio_offset;     /* File offset.  */
#endif
char __unused[32];
};
　　其实虽然结构体足够长，其实真正用到的也就前面那几个参数，也没那么复杂。具体用法不再赘述。具体可以参考以为网友的博文：http://blog.iyunv.com/tq02h2a/article/details/3825114。
　　下图是关于异步IO模型的图示：



参考　　aio(7) - Linux manual page http://man7.org/linux/man-pages/man7/aio.7.html
　　sigevent(7) - Linux manual page   http://man7.org/linux/man-pages/man7/sigevent.7.html
　　5张模型图片出处  《UNIX网络编程卷1》 史蒂文斯