linux和unix中的IO模型总结

高性能网络IO编程模型

一、I/O模型简介

在一个 linux 操作系统中，一般分为用户空间和内核空间。

用户空间一般就是我们进行应用程序编程的地方。

内核空间就是 linux 操作系统自己运行的一些系统，比如内存系统，文件系统，进程调度，硬件驱动程序等等，都是操作系统内核进行控制。

处于 2 个不同的空间，那应用程序怎么对内核进行一些操作呢？

应用程序运行在用户空间，是不具备直接操作系统功能的权限。应用程序要访问内核系统的一些功能，需要通过系统调用（System Call）来完成。

具体就是操作系统内核为应用程序提供了一些接口 API（封装的函数），供应用程序使用，来访问操作内核的一些功能。

Linux 中的 I/O 模型是什么？

在用户空间的应用程序与在内核空间的内核系统怎么进行数据交换，交换的方式有哪些？

在《unix网络编程》中总结了 5 种 I/O 模型。

二、5 种IO模型

在《unix网络编程第1卷》中介绍了 5 种 IO 模型：

阻塞 I/O - Blocking I/O
非阻塞 I/O - Non-Blocking I/O
I/O 复用（select，poll和epoll）- I/O Multiplexin
信号驱动 I/O - Signal Driven I/O
异步 I/O（aio_ 系列函数）- Asynchronous I/O

1.阻塞IO模型

应用程序进程发起 IO 系统调用，这里是 recvfrom 函数。这个进程一直阻塞在 recvfrom 调用，直到内核把数据准备好，然后从内核空间拷贝数据到用户空间缓冲区，最后返回数据。

这里进程阻塞的整段时间是指调用 recvfrom 开始到系统返回成功指示，应用进程开始处理数据。

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

2.非阻塞IO模型

把套接字接口设置成非阻塞方式，就是告诉内核，请求I/O操作没有数据时，不要使进程阻塞（进程睡眠），而是返回一个错误。

等到内核把数据准备好，被拷贝到应用程序缓冲区，程序返回成功。

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

3.IO多路复用模型

把多个接收的 socket FD 注册到 select（多路复用器）上，然后使用一个进程监听 select。只要有一个 socket 上准备好，就返回该 socket 数据。

多路复用函数有select，poll，epoll。

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

4.信号驱动IO模型

信号驱动就是内核在 FD（文件描述符）准备好时用信号 SIGIO 通知应用程序。

首先，套接字接口允许信号驱动I/O，通过系统调用 sigacton 安装一个信号处理。此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的。当

内核数据报准备好时，就为该进程生成一个 SIGIO 信号，给进程发信号。可以立即在信号处理程序中调用 recvfrom 程序读取数据报，

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

5.异步IO模型

异步IO是Posix.1的一个扩展，让内核来操作整个数据过程，在内核把数据准备完成后，从内核拷贝到应用进程缓冲区，然后通知应用进程。

接口函数一般以 aio_ 开头。

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

三、5种IO模型区别

从上面5种模型可以看出，各个模型都有 2 个阶段。

第一阶段：等待内核准备好数据。

第二阶段：将数据从内核拷贝到用户空间（应用进程缓冲区）

前面4种模型当数据从内核拷贝到应用进程缓冲区时，进程都会阻塞在 recvfrom 的调用。

最后第5种异步IO模型两阶段处理都不同于前面4种IO模型。

（来自《unix网络编程第1卷》第6章）

四、参考

《Unix网络编程第1卷》作者: Richard Stevens，Bill Fenner，Andrew M. Rudoff