【linux高级IO(一)】理解五种IO模型

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1. 前言

本篇文章开始, 将与大家分享高级IO相关的内容
本章重点:

本篇文章会带大家初识五种常见的IO模型, 分别是: 阻塞IO, 非阻塞IO, 信号驱动IO, IO多路转接, 异步IO. 其中, 多路转接将会是本系列文章后续的重点

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2. 重谈对IO的理解

IO: input or output --> 访问外设 效率低
IO一定是非常低效的, 以读取为例:

当我们read/recv时, 如果底层缓冲区没有数据, read/recv函数会阻塞
当我们read/recv时, 如果底层缓冲区有数据, read/recv函数会拷贝

所以说, IO = 等待 + 拷贝 !!!

记住这句话, 会一直贯穿整个IO系列文章

探讨低效IO和高效IO:

很明显, IO = 等待 + 拷贝.
所以可以得出下面的结论:

• 低效IO: 单位时间内, 大部分时间, IO类接口都在等待
• 高效IO: 让等待的比重降低

接下来的五种IO模型, 就是围绕着是否高效进行的

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3. 阻塞IO讲解

正如其名, 阻塞IO 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待, 并且所有的套接字默认都是阻塞IO. 阻塞IO是最常见的IO模型, 它比较好理解, 下面是关于阻塞IO的图像讲解

通俗来讲, 阻塞IO就是, 你去河边钓鱼, 只拿一根鱼竿等于上钩, 并且时刻盯着水面

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4. 非阻塞IO讲解

顾名思义, 非阻塞IO就是说, 当底层数据没有准备就绪时, 不会傻傻的等待, 而是直接返回. 但是调用recv时, 出现错误也会直接返回, 应该怎样区分这两种情况呢? 答案是阻塞式IO的正常返回时, 会将errno全局遍历设置为宏: EWOULDBLOCK. 这下就能将它们区分开了

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用. 下面是非阻塞IO的简单示例:

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include<errno.h>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;//对指定的fd设置非阻塞
void SetNonBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {cerr << "fcntl error" << endl;exit(1);}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main() {SetNonBlock(0);while (1) {char buffer[1024];ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0) {buffer[s] = 0;cout << buffer << endl;} else if (s == 0) {cout << "读到文件结尾了" << endl;break;}else{//1. 数据没用准备好 2. 真的出错了. 都以-1的返回值返回// 数据没有准备好,不算出错. 需要区分这两种情况if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN){cout<<"os底层数据还没就绪"<<endl;cout<<errno<<endl;}//被信号中断, 也不算read出错else if(errno == EINTR){cout<<"IO interrupted by signal"<<endl;}else{cout<<"read error"<<endl;break;}}sleep(1);}
}

调用fcntl函数将fd设置为非阻塞

通俗来讲, 非阻塞IO就是, 你去河边钓鱼, 也只用一根鱼竿, 但是你过一分钟才去看看有没有鱼上钩, 其他时间你可能在刷抖音

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5. 信号驱动IO

信号驱动IO: 内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作. 也就是说信号驱动的方式你不用像非阻塞IO一样, 每过一段时间去检查是否有数据就绪, 一旦有数据就绪, 会有信号通知你, 这也就可以更多时间刷抖音了(不是)

通俗来讲, 信号驱动IO就是, 你去河边钓鱼, 也只拿一个鱼竿, 只不过鱼竿上有压力传感器, 一旦有鱼上钩就会发出声音提醒你. 其余时间我们当然可以愉快的刷抖音

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6. IO多路转接

前面几个钓鱼的人是不是有点寒酸了?一次只拿一个鱼竿, 效率太低了吧! 多路转接直接把桌子掀了, 它拿了100个鱼竿去钓鱼: IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态

通俗来说就是你拿一百个鱼竿去钓鱼, 同时等待一百种可能, 一旦有鱼上钩了, 会同时把所有上钩的鱼都拉上来, 这效率简直是指数级增长, 所以这也是在实际生活中使用的最多的IO方案

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7. 异步IO

前面所有的IO方式, 都是同步IO, IO＝等待+拷贝, 同步IO就是要么参与了等待过程, 要么参与了拷贝过程, 要么都参与了. 而异步IO则是等待和拷贝都不参与: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

还是拿钓鱼的例子来说, 前面的钓鱼者, 不管你一次性带多少鱼竿(多路转接), 不管你在鱼竿上安装什么高科技(信号驱动), 但是你总得去河边, 自己拿着鱼竿钓鱼. 而异步IO是怎么做的呢? 他直接雇佣了一个人帮它去钓鱼, 什么时候鱼上钩, 你等待了多久我都不在乎, 我只需要你在晚上九点的时候将钓的鱼全部带给我即可.

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8. 理解异步和同步

同步和异步关注的是消息通信机制.

同步和异步在实际场景中怎样运用?

虽然说大部分IO类型都是同步IO, 但是实际生活中运用异步IO的概率也不小. 举个例子, 你是王者荣耀的后端, 一个英雄放了一个技能打在对面身上, 此时我们后端要将这个操作做成同步的还是异步的? 很明显是同步, 因为我想要实时的看见对面英雄的血条在减少. 再举个例子, 现在你是QQ的后端, 你现在要查询一千万个QQ号中, 有哪些QQ号超过1个月没有上线了. 你把此功能做成同步还是异步? 很明显考虑到成本问题一定是做成异步, 一千万个QQ号如果用一台机器可能会查询几个小时, 你可能会说, 那我可以用多台机器做负载均衡, 是的没错, 但是机器数量多了, 成本就上去了. 所以做成异步的IO比较好

综上所述, 实际场景中要根据自己的情况和需求来觉得使用同步还是异步, 不要觉得在学习时都用同步, 以后工作了也就无脑的用同步

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9. 总结以及拓展

本篇文章只是简单的介绍了IO模型的几个分类, 其中, 最重要的模型是多路转接, 后面的文章会着重讲解它. 多路转接为什么重要? 因为它是业内最常用的用来提高并发性的模型, 后续大家都接触都reactor模型, 而reactor模型可以有多种实现方式, 而效率最高的reactor模型则是用多路转接实现的!!!

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🔎 下期预告:多路转接之select 🔍