理解IO

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重要概念

同步、异步

函数或方法被调用的时候，调用者是否得到最终结果的

  • 直接得到最终结果的，就是同步调用
  • 不直接得到最终结果的，就是异步调用

阻塞、非阻塞

函数或方法调用的时候，是否立刻返回

  • 立即返回就是非阻塞调用
  • 不立即返回就是阻塞调用

区别

同步、异步，与阻塞、非阻塞不相关
同步、异步强调的是，是否得到（最终的）结果
阻塞、非阻塞强调是时间，是否等待

同步与异步区别在于：调用者是否得到了想要的最终结果
同步就是一直要执行到返回最终结果
异步就是直接返回了，但是返回的不是最终结果。调用者不能通过这种调用得到结果，以后可以通过被调用者提供的某种方式（被调用着通知调用者、调用者反复查询、回调），来取回最终结果

阻塞与非阻塞的区别在于，调用者是否还能干其他事
阻塞，调用者就只能干等
非阻塞，调用者可以先去忙会别的，不用一直等

联系

同步阻塞，我啥事不干，就等你打饭打给我。打到饭是结果，而且我啥事不干一直等，同步加阻塞
同步非阻塞，我等着你打饭给我，但我可以玩会手机、看看电视。打饭是结果，但是我不一直等

异步阻塞，我要打饭，你说等叫号，并没有返回饭给我，我啥事不干，就干等着饭好了你叫我。例如，取了号什么不干就等叫自己的号
异步非阻塞，我要打饭，你给我号，你说等叫号，并没有返回饭给我，我在旁边看电视、玩手机，饭打好了叫我

操作系统知识

在386之前，CPU工作在实模式下，之后，开始支持保护模式，对内存进行了划分
X86 CPU有4种工作级别：

  • Ring0级，可以执行特权指令，可以访问所有级别数据，可以访问IO设备等
  • Ring3级，级别最低，只能访问本级别数据

内核代码运行在Ring0，用户代码运行在Ring3

现代操作系统采用虚拟存储器，理论上，对于32位系统来说，进程对虚拟内存地址的内存寻址空间为4G（2^32)
64位操作系统理论上最大内存寻址空间（2^64）
操作系统中，内核程序独立且运行在较高的特权级别上，它们驻留在被保护的内存空间上，拥有访问硬件设备的所有权限，这部分内存称为内核空间（内核态，最高地址1G）

普通应用程序运行在用户空间（用户态）

应用程序想访问某些硬件资源就需要通过操作系统提供的系统调用，系统调用可以使用特权指令运行在内核空间，此时进程陷入内核态运行。系统调用完成，进程将回到用户态执行用户空间代码
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同步IO、异步IO、IO多路复用

IO两个阶段

IO过程分两阶段：

  1. 数据准备阶段
  2. 内核空间复制回用户空间进程缓冲区阶段

发生IO的时候：

  1. 内核从IO设备读、写数据（淘米，把米放饭锅里煮饭）
  2. 进程从内核复制数据（盛饭，从内核这个饭锅里面把饭装到碗里来）

系统调用——read函数

IO模型

同步IO

  • 同步IO模型包括 阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO

    阻塞IO

  • 进程等待（阻塞），直到读写完成。（全程等待）
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    非阻塞IO

    进程调用read操作，如果IO设备没有准备好，立即返回ERROR，进程不阻塞。用户可以再次发起系统调用，如果内核已经准备好，就阻塞，然后复制数据到用户空间

  • 第一阶段数据没有准备好，就先忙别的，等会再来看看。检查数据是否准备好了的过程是非阻塞的

  • 第二阶段是阻塞的，即内核空间和用户空间之间复制数据是阻塞的

例：淘米、蒸饭我不等，我去玩会，盛饭过程我等着你装好饭，但是要等到盛好饭才算完事，这是同步的，结果就是盛好饭
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IO多路复用

所谓IO多路复用，就是同时监控多个IO，有一个准备好了，就不需要等了开始处理，提高了同时处理IO的能力

  • select几乎所有操作系统平台都支持，poll是对的select的升级
  • epoll，Linux系统内核2.5+开始支持，对select和poll的增强，在监视的基础上，增加回调机制。BSD、Mac平台有kqueue，Windows有iocp

以select为例

  • 将关注的IO操作告诉select函数并调用，进程阻塞，内核“监视”select关注的文件描述符fd，被关注的任何一个fd对应的IO准备好了数据，select返回。再使用read将数据复制到用户进程

select举例

  • 食堂供应很多菜（众多的IO），你需要吃某三菜一汤，大师傅（操作系统）说要现做，需要等，你只好等待大师傅叫。其中一样菜好了，大师傅叫你，说你点的菜有好的了，你得自己遍历找找看哪一样才好了，请服务员把做好的菜打给你
  • epoll是有菜准备好了，大师傅喊你去几号窗口直接打菜，不用自己找菜了

一般情况下，select最多能监听1024个fd（可以修改，但不建议改），但是由于select采用轮询的方式，当管理的IO多了，每次都要遍历全部fd，效率低下
epoll没有管理的fd的上限，且是回调机制，不需遍历，效率很高
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信号驱动IO

进程在IO访问时，先通过sigaction系统调用，提交一个信号处理函数，立即返回。进程不阻塞
当内核准备好数据后，产生一个SIGIO信号并投递给信号处理函数。可以在此函数中调用recvfrom函数操作数据从内核空间复制到用户空间，这段过程进程阻塞
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异步IO

  • 进程发起异步IO请求，立即返回。内核完成IO的两个阶段，内核给进程发一个信号。

举例

  • 来打饭，跟大师傅说饭好了叫你，饭菜准备好了，窗口服务员把饭盛好了打电话叫你。两阶段都是异步的。在整个过程中，进程都可以忙别的，等好了才过来。
  • 今天不想出去到饭店吃饭了，点外卖，饭菜在饭店做好了（第一阶段），快递员从饭店送到你家门口（第二阶段）。

Linux的aio的系统调用，内核从版本2.6开始支持
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  • 前4个都是同步IO，因为核心操作recv函数调用时，进程阻塞直到拿到最终结果为止。
  • 而异步IO进程全程不阻塞
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