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浅谈Linux下的五种I/O模型

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 一、关于I/O模型的引出

　　我们都知道，为了OS的安全性等的考虑，进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。如下图所示：

　　

　　整个请求过程为： 用户进程发起请求，内核接受到请求后，从I/O设备中获取数据到buffer中，再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间，该用户进程获取到数据后再响应客户端。

　　在整个请求过程中，数据输入至buffer需要时间，而从buffer复制数据至进程也需要时间。因此根据在这两段时间内等待方式的不同，I/O动作可以分为以下五种模式：

　　(1) 阻塞I/O (Blocking I/O)

　　(2) 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

　　(3) I/O复用（I/O Multiplexing)

　　(4) 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

　　(5) 异步I/O (Asynchrnous I/O)

二、关于I/O模型的划分

　　阻塞：调用的进程一直处于等待状态，直到操作完成。

　　非阻塞：在内核的数据还未准备好时，会立即返回，进程可以去干其他事情。

　　从同步异步，以及阻塞、非阻塞两个维度来划分来看：

　　　　

三、I/O模型分述

　　1、阻塞I/O

　　　　

　　从上图可以看到在整个过程中，当用户进程进行系统调用时，内核就开始了I/O的第一个阶段，准备数据到缓冲区中，当数据都准备完成后，则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中，这时用户进程才解除block的状态重新运行。

　　所以，Blocking I/O的特点就是在I/O执行的两个阶段都被block了。

　　2、非阻塞I/O

　　　　

　　从上图可以看到在I/O执行的两个阶段中，用户进程只有在第二个阶段被阻塞了，而第一个阶段没有阻塞，但是在第一个阶段中，用户进程需要盲等，不停的去轮询内核，看数据是否准备好了，因此该模型是比较消耗CPU的。

　　3、I/O复用

　　　　

　　从上图可以看到在I/O复用模型中，I/O执行的两个阶段都是用户进程都是阻塞的，但是两个阶段是独立的，在一次完整的I/O操作中，该用户进程是发起了两次系统调用。

　　4、信号驱动的I/O

　　　　

　　该模型也叫作基于事件驱动的I/O模型，可以看到该模型中，只有在I/O执行的第二阶段阻塞了用户进程，而在第一阶段是没有阻塞的。

　　乍看起来感觉和非阻塞模型很相似，其实不同之处就在于，该模型在I/O执行的第一阶段，当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，即对用户进程做一个回调。该通知分为两种，一为水平触发，即如果用户进程不响应则会一直发送通知，二为边缘触发，即只通知一次。

　　5、异步I/O

　　　　

　　在该模型中，当用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其它的事情，然后直到I/O执行的两个阶段都完成之后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。

四、五种模型总结