【操作系统的IO模型有哪些?】

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操作系统中的IO模型

为了保护操作系统的安全,通过缓存加快系统读写,会将内存分为用户空间和内存空间两个部分。如果用户想要操作内核空间的数据则需要把数据从内核空间拷贝到用户空间(数据会放到内核空间的page cache中,这种也叫做缓存IO)。

举个栗子:
如果服务器收到了从从客户端过来的请求,并且想要进行处理,那么需要经过这几个步骤:

  • 服务器的网络驱动接收到消息之后,向内核申请空间,并在收到完整的数据包(这个过程会产生延时,原因是有可能是通过分组传送过来的)后,将其复制到内核空间;
  • 数据从内核空间拷贝到用户空间;
  • 用户程序进行处理

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我们再详细的探究服务器中的文件读取,对于Linux来说,Linux是一个将所有的外部设备都看作是文件来操作的操作系统,在它看来:everything is a file,那么我们就把对外部设备的操作都看作是对文件进行操作。而且,我们对一个文件进行读写,都需要通过调用内核提供的系统调用。

而在Linux中,一个基本的IO会涉及到两个系统对象:一个是调用这个IO的进程对象(用户进程),另一个是系统内核。也就是说,当一个read操作发生时,将会经历以下阶段:

  • 通过read系统调用,向内核发送读请求;
  • 内核向硬件发送读指令,并等待读就绪;
  • DMA把将要读取的数据复制到指令的内核缓冲区;
  • 内核将将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程空间中

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正是由于上面的几个阶段,导致了file中的数据被用户进程消费是需要过程的,这也就是延伸出了5中IO方式,分别是同步阻塞型IO模型、同步非阻塞型IO模型、IO复用模型、信号驱动模型、以及异步IO模型

逐一拓展

通过一个例子来分别说明这五种IO模型:

eg:假设小A需要去社保局柜台办事,拿号排队的例子

同步阻塞IO模型

**从系统调用recv到将数据从内核复制到用户空间并返回,在这段时间内进程始终阻塞。**就相当于,小A想去柜台办理业务,假如现在柜台业务繁忙,他也要排队,直到排到他办理完业务,才能去做别的事情。显然,这个IO模型是同步且阻塞的。

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同步非阻塞IO模型

在这里recv不管有没有获得到数据都要返回,如果没有数据的话就过段时间再调用recv来看一看,如此循环。 就像是小A来柜台办理业务,发现柜员休息,挂出来暂停服务的牌子,这个时间小A就离开了,小A出去买了一根火腿肠吃上一吃,吃完小A就又回来看看柜员开始营业了没有,直到终于碰到柜员营业了,这才办理业务。我们可以看到,在小A中间离开的这段时间,他可以做自己的事情。回到正题,但是这个模型只有在检查无数据的时间是非阻塞的,在数据到达的时候依然要等待复制数据到用户空间(办理业务),因此它还是同步IO。

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IO复用模型

在IO复用模型中,调用recv之前会先调用select或者poll,这两个系统调用都可以在内核准备好数据(网络数据已经到达内核了)时告知用户进程,它准备好了,这个时候再调用recv时是一定有数据的。因此,在这个模型中,进程阻塞于select或者poll,而没有阻塞在recv上。 就相当于,小A来柜台办理业务,大厅保安告诉他,现在没有空闲的柜台,所有柜台都有人在办理业务,等有空位的时间会告诉他。于是小A就等呀等(select或者poll调用中……),过了一会大厅保安告诉他有柜台空闲出来了,可以办理业务了,但是具体是几号柜台,你自己去找一下吧,于是小A就只能挨个柜台找呀找。

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信号驱动IO模型

此处会通过调用sigaction注册信号函数,在内核数据准备好的时候,系统就会中断当前程序,执行信号函数(在这里调用recv)。 相当于,小A让大厅保安在柜台有空位的时候通知他(注册信号函数),等没多久大厅保安通知他,因为他是人才,所以专门给他开了一个柜台来办理业务,小A就去特席柜台办理业务了,但即使在等待的过程中是非阻塞的,但在业务办理的过程中依然是同步的。

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异步IO模型

调用aio_read指令,内核把数据准备好,并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。 也就是说,小A交代大厅保安,我是人才,你把业务给我办理好了再通知我来验收,在这个过程中小A可以去做自己想做的事情。这就是真正的异步IO模型。

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我们可以看到,前四种模型都是属于同步IO模型,因为在内核数据复制到用户空间这一个过程都是阻塞的。而最后一种异步IO,是通过将IO操作交给操作系统处理,当前的进程不关心具体IO的实现,后来再通过回调函数,或信号量通知当前进程直接对IO返回结果进行处理。

上一篇介绍: 如何理解select、poll、epoll?文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-758506.html

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