Unix I/O 模型

基础知识

Unix的内存空间可划分为：

用户空间（User Space）：用户空间是用户进程（即除了内核的其他东东）运行所在的内存空间。内核的任务之一就是管理用户空间中的独立的用户进程，防止它们互相干扰。

内核空间（Kernel Space）：内核空间是内核（即操作系统的核心）运行和提供服务的地方。只有通过用户进程的系统调用（system calls）才能访问内核空间。系统调用即类Unix系统中活动进程发起的对内核服务的请求（如输入输出、进程创建等）。

概览

Unix有五种I/O模型：

阻塞 I/O

非阻塞 I/O

I/O 多路复用 (select 和 poll)

信号驱动 I/O (SIGIO)

异步 I/O (POSIX中的aio_前缀的函数)

一般来说，一个输入操作包含了以下步骤:

等待数据准备就绪

从操作系统内核拷贝数据到进程中

对于socket的输入操作，第一步通常是等待网络中的数据到达。当数据包到达后，它被拷贝到内核的缓冲区中。第二步是将数据从内核缓冲区中拷贝到应用程序缓冲区中。

阻塞I/O

最流行的I/O模型，默认情况下所有的socket都是阻塞的。以下是一个数据报socket（datagram socket）的示例。

应用进程调用recvfrom，直到数据报到达并且被拷贝到进程缓冲区或发生错误后，该次调用才返回。换言之，进程从它调用recvfrom开始一直处于被阻塞状态。当recvfrom成功返回，应用进程就会处理该数据报。

非阻塞I/O

当应用将socket设置为非阻塞时，是在告诉内核“当我请求一个I/O操作，在不挂起使当前进程的情况下，若无法完成，直接返回错误”。

前三次调用的recvfrom并没有数据返回，所以内核立刻返回了EWOULDBLOCK的错误。当第四次调用recvfrom时，数据报准备好了，被拷贝到应用缓冲区中，并且返回成功。之后应用进程处理数据。

当应用程序像这样针对一个非阻塞的文件描述符进行recvfrom调用时，我们称之为轮询。应用程序持续地向内核发起轮询去查看操作是否准备就绪。这通常会造成CPU时间的浪费，但是这种模型只会偶尔遇到，一般出现在单一功能的系统中。

I/O多路复用

通过I/O多路复用，应用调用select 或 poll，阻塞在两者之一的系统调用而不是实际的I/O系统调用。

select允许应用进程监控多个文件描述符，应用进程阻塞在select调用处直到一个或多个文件描述符变为I/O操作就绪状态。当一个文件描述符可以执行相应的I/O操作而无需阻塞即可认为其为就绪状态。当select返回socket可读时，调用recvfrom拷贝数据报到应用缓冲区。

相比较阻塞I/O的图例，I/O多路复用看起来并不具有任何优势，实际上，它还存在一个微弱的劣势，因为除了recvfrom系统调用，它还额外需要select调用，而阻塞I/O只需要一个recvfrom系统调用。但是在等待多个文件描述符时，使用select的优势就体现出来了。

信号驱动I/O

使用信号驱动模型，可以使内核在文件描述符准备就绪时发送SIGIO信号通知应用。

应用首先启用信号驱动I/O模式的socket，并且使用sigaction系统调用设置一个信号处理器。这次系统调用立马返回并且应用进程继续运行而不会被阻塞。当数据报准备就绪后，应用进程会收到SIGIO信号。一种处理方式是通过从信号处理器中调用recvfrom读取数据报，并且通知主程序（main loop）数据已经准备好被处理；另外一种方式是直接通知主程序让其读取数据报。

不管信号如何处理，该模型的好处是当等待数据报到达时应用进程并没有被阻塞。主程序可以继续执行，信号处理器会通知它数据准备就绪或数据报准备好被读取。

异步I/O

异步I/O由POSIX标准定义，出现在各个标准中的这些函数的诸多差异在POSIX中获得了调和。总体来说，这些函数告诉内核开始操作并且当整个操作（包括从内核拷贝数据到应用缓冲区中）完成后才通知进程。这个模型与信号驱动I/O模型的主要区别是：信号驱动I/O模型中，内核告诉我们什么时候I/O操作初始化完成，而异步I/O模型中，内核告诉我们什么时候整个I/O操作完成。如下图所示。

应用调用 aio_read（POSIX标准中异步I/O函数以aio_ 或 lio_开头），并且传递文件描述符，缓冲指针，缓冲大小（这三个参数同read函数），文件偏移（同lseek相似）和当整个操作完成后的通知方式。我们假定该例中当操作完成后是内核生成信号的方式。信号直到数据被拷贝到应用缓冲区后才会生成，这是与信号驱动I/O模型不同之处。