UNIX 5种I/O模型

Unix 5 I/O模型

I/O操作分为两步：

（1）先将数据从 存储介质 （磁盘或者网络等）拷贝到 内核缓冲区，此时称为数据准备好，可以被用户读取。

（2）由用户应用程序拷贝内核缓冲区数据 到用户缓冲区。

1.阻塞I/O模型

函数 recfrom 视为系统调用。 不论该函数如何实现， 都会有 从应用进程中运行 到 内核中运行的 切换， 一段时间以后 还会有 一个返回 到应用进程的切换。

应用程序 调用一个I/O 函数， 导致应用程序阻塞 并等待数据准备就绪。 如果数据没有准备好 就一直等待。 如果数据准备好了， 则从内核拷贝到用户空间拷贝数据，IO函数 返回成功指示。

进程调用 recvfrom 此系统调用 直到 数据报到达 且被复制到应用进程的缓冲区中 或发生 错误才返回， 常见的错误如 系统调用被信号中断。

进程在调用 recvfrom开始 到它 返回的 整段时间内是阻塞的， 该函数成功返回后，应用程序 开始处理 数据报。

2.非阻塞I/O模型 （数据就绪之前 一直轮询）

非阻塞接口 告诉内核 ，当所请求的IO未完成时，返回一个错误，而不是将进程睡眠。 因此，IO操作函数将不断的测试，数据是否已经准备好了。
不断轮询，直到数据准备好为止。

前三次调用 recvfrom 函数 都无数据返回， 内核返回一个 EWOULDBLOCK错误。 第四次调用recvfrom时，数据报已准备好，被拷贝到应用缓冲区， recvfrom返回成功指示， 接着处理数据。

当一个应用进程 非阻塞 循环调用 recvfrom时，我们称为轮询 polling 。

3.I/O 复用模型 （select poll）

I/O 复用模型会用到 select 或者 poll 函数， 这两个函数也会使进程阻塞， 但是和阻塞I/O不同的是，这两个函数 可以 同时阻塞多个I/O操作。
而且可以同时 对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数 进行检测， 直到有数据可读 可写才真正调用 IO操作函数。

只要有数据就绪， select 调用返回， 应用程序调用 recvfrom 将数据 从内核区拷贝至 用户区。

优势在于，每次select阻塞 结束返回后， 可以获得多个准备就绪的套接字（即一个select 可以对多个套接字进行管理，类似于同时监控多个套接字事件是否就绪）。

和阻塞IO相比较， select I/O 复用模型相当于提前阻塞了。 等到有数据到来时，再调用revcfrom函数 就不会因为要等数据而发生阻塞。

4.信号驱动 I/O模型

让内核在数据就绪时 用信号SIGIO通知应用程序。
首先，允许套接字进行信号驱动I/O， 并通过系统调用sigaction 安装一个信号处理程序。 此系统调用立即返回，进程继续工作，它非阻塞。
当数据报 准备好被读时，就为该进程生成一个 SIGIO 信号。 应用程序可以在信号处理程序用 调用 revcfrom 来读取数据报。

5.异步I/O

让内核启动操作， 在整个操作完成后（将数据 从内核拷贝到 用户空间） 通知应用程序。

调用aio_read函数， 告诉内核描述字， 缓冲区指针，缓冲区大小， 文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。 当内核将数据拷贝到缓冲区后，在通知 应用程序。

五种IO 模型对比：

文中涉及的 unix 函数：

The recvfrom() and recvmsg() 调用用于从套接字接收消息，并且可以被用于接收套接字上的数据是否是面向连接的。