9.6 Linux_I/O_IO模型

基本概念

I/O执行过程与分类：

用户进程中的一个完整I/O分为 "用户进程空间->内核空间->设备空间(磁盘、网卡)" 这两个阶段。

I/O可以分为内存I/O、网络I/O、磁盘I/O

同步和异步是什么：

1、对于线程的请求调用，同步与异步区别在于是否要等这个请求出最终结果

比如read函数，它就是只有读完了数据，存入到了buf中，才会执行下一步，这就是同步

比如aio_read函数，它就是只发送请求数据，不论是否读完，它都会执行下一步，这就是异步。

2、对于多线程，同步与异步区别在于是否要一致、是否要协调

比如生产者与消费者模型，消费者需要等待生产者生产之后再消费，需要一致，这就是同步。

比如两个线程，各干各的事，这两个事情完全没有联系，这就不需要一致，这就是异步。

3、线程内现后两个函数的调用也是一种同步

现后两个函数的调用的意思是第一个函数执行结束，第二个函数才执行。正常的程序都有这种同步

4、异步就是一个请求返回时一定不知道结果，还需要通过其他机制获取结果。

其他机制主要有主动轮询、被动通知这两种。

阻塞与非阻塞是什么：

阻塞、非阻塞与等待消息通知时线程的状态有关。阻塞的侧重点是等待时的状态，同步的侧重点是数据通知机制。

进程生存周期的五个状态：

新建、就绪、运行、阻塞、死亡

进程进入阻塞态的原因：

1、调用sleep休眠

2、调用一个在I/O上被阻塞的操作

3、获取不到锁时

4、等待触发条件

socket中可能进入阻塞的操作：

输入、输出、接收连接accept、外出连接connect

I/O模型

五种I/O模型：

阻塞I/O、非阻塞I/O、多路复用I/O、信号驱动式I/O、异步I/O

阻塞I/O模型：

以recvfrom函数为例。当进程调用recvfrom函数之后，会进入内核空间，在内核空间中去等待数据，这时是死等，直到数据到达并拷贝完成后，才会返回应用进程，此时应用进程解除阻塞。

注意：阻塞I/O的阻塞点主要指的是等待数据到来时是阻塞的。

非阻塞I/O模型：

以recvfrom函数为例。当进程调用recvfrom函数之后，会进入内核空间：当没有数据时，并不会死等而是返回一个错误信息；当有数据时，会将数据拷贝完成，之后返回应用进程（拷贝为死等）。

注意：非阻塞I/O的非阻塞点主要指的是不去等待数据到来，而拷贝数据时依旧有短暂阻塞。

多路复用I/O模型：

以select-recvfrom为例，多路复用I/O分为 "等待多路数据" 和 "拷贝指定路的数据" 两步。

等待多路数据：当应用进程调用select函数后，进入内核空间，这时select根据所配置的参数可能为阻塞等待，也可能是非阻塞等待数据。当多个通道中，有数据存在时， 会返回一个可读条件，这个条件指定了哪一路的数据是存在的。

拷贝指定路的数据：当recvfrom收到select返回的可读条件后，就会去指定的通道拷贝数据。同样在拷贝数据的过程中有短暂阻塞。拷贝数据结束后返回应用进程。

信号驱动式I/O模型：

以sigaction-recvfrom为例，信号驱动式I/O可以分为 "注册信号" 和 "拷贝数据" 这两步。

注册信号：当应用进程调用sigaction函数后，进入内核空间，将信号处理函数注册到内核中，之后返回到应用空间中。此时进程继续正常执行，直到信号产生，内核会向进程发送信号处理的请求。

拷贝数据：当应用进程接收到信号处理请求后，会调用信号处理函数。假设信号处理函数中有一个recvfrom，这是就会进入内核去拷贝数据，短暂阻塞并拷贝完成后返回应用进程。

注意：信号驱动式I/O是同步的，这是因为在拷贝数据过程中是同步的。即：真正发起I/O操作的过程是同步的。

异步I/O模型：

以aio_read为例，当应用进程调用aio_read后，会向内核发送一个读请求，之后就从内核返回到应用进程。这之后，应用进程正常运行，当有数据时，会在内核中自动拷贝。拷贝结束后，内核向应用进程发起信号，应用进程直接使用拷贝好的数据。

注意：异步I/O异步的点是，真正的I/O操作过程，是内核完成的，于此同时应用进程并没有等待它完成，而是异步的做另一件事情。