Linux 网络I/O模型

前言

本文是笔者的第一篇博文，在这篇文章的大部分内容基于steven大神的《Unix Network Programming》。一来是对书本内容的整理与归纳。二来也是为接下来的博文奠定基础。

在实际应用中，数据操作通常分为输入和输出，那么以输入为例，在操作系统中，一个数据的输入通常分为以下两个过程：

等待数据准备好.
将准备好的数据从内核拷贝到用户空间

下面我们将会分别讨论 I/O 模型中的两个大类，即同步 I/O 与异步 I/O。

图 1. 基本I/O 模型的简单矩阵

同步阻塞I/O

最常用的一个模型是同步阻塞 I/O 模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。

图 2. 同步阻塞 I/O 模型

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）

图 3. 同步非阻塞 I/O 模型

当一个应用进程像这样对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮询(polling)。应用进程只需轮询内核，以查看某个操作是否就绪。这么做往往耗费大量CPU时间。

I/O复用模型

I/O 复用有时又被称为事件驱动 I/O, 它的最大优势在于，我们可以将感兴趣的多个I/O事件（更精确的说，应该是 I/O 所对应的文件描述符）注册到 select/poll/epoll/kqueue 之中某一个系统调用上（很多时候，这些系统调用又被称为多路复用器。假设此时我们选择了 select() ）。此后，调用进程会阻塞在 select() 系统调用之上（而不是阻塞在真正的 I/O 系统调用（如 read(), write() 等）上）。select() 会负责监视所有已注册的 I/O 事件，一旦有任意一个事件的数据准备好，那么 select() 会立即返回，此时我们的用户进程便能够进行数据的复制操作。

图 4. I/O复用模型

总而言之，I/O 复用的优点就在于可以同时等待多个I/O事件；而缺点是会进行两次系统调用（一次 select(), 一次 read() ）。

信号驱动式I/O模型

在这种模型下，我们首先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。改系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说他没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后就可以在信号处理函数中调用read读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。

图 5. 信号驱动I/O模型

无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环可以继续执行，只要等到来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。

异步非阻塞 I/O

异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

图 6. 异步非阻塞I/O模型

在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

各种I/O模型的比较

通过上面的讨论可以清楚的看到，同步 I/O 总会有阻塞的过程，这就是“同步”最本质的特征。而如前文所说，异步 I/O 的最大特点在于用户进程均不阻塞。用户进程告知内核启动某一 I/O 操作，并让内核全权代为执行（包括等待数据及拷贝数据至用户空间），此后用户进程可以立即执行其它的任何操作。等到所有 I/O 过程执行完成后，内核会通知用户程。由此可见，在整个过程中，用户进程均不阻塞。

图 7. 各种I/O模型的比较1

图 8 . I/O 模型比较2

I/O模型	读写操作和阻塞阶段
阻塞I/O	应用阻塞于读写函数
I/O复用	应用阻塞于I/O复用系统调用，但可同时监听多个I/O事件。对I/O本身的读写操作是非阻塞的
信号驱动I/O	信号触发读写就绪事件，用户程序执行读写操作。应用没有阻塞阶段
异步I/O	内核执行读写操作并触发读写完成事件。应用没有阻塞阶段

参考

《Unix Network Programming》(volume 1)

《使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能》