在linux网络编程【1-3】中,我们编写的网络程序仅仅是为了了解网络编程的基本步骤,实际应用当中的网络程序并不会用那样的。首先,如果服务器需要处理高并发访问,通常不会使用linux网络编程(三)中那样的多进程方式,因为那样相当耗系统资源。实际当中,网络程序多使用select、poll、epoll等多路IO复用来进行编写。在进入主题之前,我们先来了解一下linux的IO模型。

现有的linux IO模型有5种:阻塞式IO模型,非阻塞式IO模型,IO复用模型,信号驱动式IO模型,异步IO模型

关于阻塞、非阻塞、同步、异步,甚至并发等待,这些概念一直没有很好的理解,特意翻阅一些资料和博文,汇总如下:

1.阻塞IO模型

  在linux中,默认情况下所有的socket都是blocking,当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据。对于network io来说,很多时候数据在一开始还没有到达(比如,还没有收到一个完整的UDP包),这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边,整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除block的状态,重新运行起来。所以,blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了

2.非阻塞IO模型

  linux下,可以通过设置socket使其变为non-blocking,从图中可以看出,当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。所以,用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。这种模型需要用户进程不断的查询内核,比较消耗cpu,所以应用得比较少。

3.IO多路复用模型

  IO multiplexing这个词可能有点陌生,但是如果我说select,epoll,大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道,select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。

  当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。
  这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同,事实上,还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom),而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是,用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

  在IO multiplexing Model中,实际中,对于每一个socket,一般都设置成为non-blocking,但是,如上图所示,整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block,而不是被socket IO给block。

4.信号驱动的IO模型

  

  首先通过sigaction系统调用注册信号处理函数,然后立即返回,进程继续运行,这一过程是非阻塞的。当数据准备好后,内核发送SIGIO信号给进程,进程收到该信号后,读取准备好的数据。

5.异步IO模型

  

  用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。

关键词总结对比:

阻塞 调用进程一直被阻塞,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。
同步 引起请求进程阻塞,直到IO操作完成。
异步 不会引起请求进程阻塞。因此上述五种IO模型只有第五种是异步IO模型。

  从上面表格所列的我们对阻塞非阻塞,同步异步的理解,我们编写的网络程序基本上很少使用异步,至少我在工程代码里很少看到有异步代码。事实上,我们用的最多的模型应该是IO多路复用模型,且通常将其中的每一个socket都设置为非阻塞。

  next.....

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