Linux的I/O模型概念是什么

本篇內容主要講解“Linux的I/O模型概念是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“Linux的I/O模型概念是什么”吧!

1. 阻塞I/O模型

      老李去火車站買票，排隊三天買到一張退票。

      耗費：在車站吃喝拉撒睡 3天，其他事一件沒干。

2. 非阻塞I/O模型

     老李去火車站買票，隔12小時去火車站問有沒有退票，三天后買到一張票。

     耗費：往返車站6次，路上6小時，其他時間做了好多事。

3. I/O復用模型

     1.select/poll

           老李去火車站買票，委托黃牛，然后每隔6小時電話黃牛詢問，黃牛三天內買到票，然后老李去火車站交錢領票。

            耗費：往返車站2次，路上2小時，黃牛手續費100元，打電話17次

    2.epoll

            老李去火車站買票，委托黃牛，黃牛買到后即通知老李去領，然后老李去火車站交錢領票。

            耗費：往返車站2次，路上2小時，黃牛手續費100元，無需打電話

4. 信號驅動I/O模型

        老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李，然后老李去火車站交錢領票。

        耗費：往返車站2次，路上2小時，免黃牛費100元，無需打電話

5. 異步I/O模型

         老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李并快遞送票上門。

        耗費：往返車站1次，路上1小時，免黃牛費100元，無需打電話

總結：

       1同2的區別是：自己輪詢

       2同3的區別是：委托黃牛

       3同4的區別是：電話代替黃牛

       4同5的區別是：電話通知是自取還是送票上門

2、講解　　

　　nginx使用epoll接收請求的過程是怎樣的， 多看看上面個圖就了解了。提醒下，ngnix會有很多鏈接進來， epoll會把他們都監視起來，然后像撥開關一樣，誰有數據就撥向誰，然后調用相應的代碼處理。

橫軸Dead connections 就是鏈接數的意思，叫這個名字只是它的測試工具叫deadcon. 縱軸是每秒處理請求的數量，你可以看到，epoll每秒處理請求的數量基本不會隨著鏈接變多而下降的。poll 和/dev/poll 就很慘了。可是epoll 有個致命的缺點。。只有linux支持

在知乎上面看到一些解釋如下：

截圖如下：

3、總結

 　　阻塞、非阻塞、多路IO復用，都是同步IO，異步必定是非阻塞的，所以不存在異步阻塞和異步非阻塞的說法。真正的異步IO需要CPU的深度參與。換句話說，只有用戶線程在操作IO的時候根本不去考慮IO的執行全部都交給CPU去完成，而自己只等待一個完成信號的時候，才是真正的異步IO。所以，拉一個子線程去輪詢、去死循環，或者使用select、poll、epool，都不是異步。

文件 I/O

文件的讀寫方式各有千秋，對于文件的 I/O 分類也非常多，常見的有

• 緩沖與非緩沖 I/O

• 直接與非直接 I/O

• 阻塞與非阻塞 I/O VS 同步與異步 I/O

接下來，分別對這些分類討論討論。

緩沖與非緩沖 I/O

文件操作的標準庫是可以實現數據的緩存，那么根據「是否利用標準庫緩沖」，可以把文件 I/O 分為緩沖 I/O 和非緩沖 I/O：

• 緩沖 I/O，利用的是標準庫的緩存實現文件的加速訪問，而標準庫再通過系統調用訪問文件。

• 非緩沖 I/O，直接通過系統調用訪問文件，不經過標準庫緩存。

這里所說的「緩沖」特指標準庫內部實現的緩沖。

比方說，很多程序遇到換行時才真正輸出，而換行前的內容，其實就是被標準庫暫時緩存了起來，這樣做的目的是，減少系統調用的次數，畢竟系統調用是有 CPU 上下文切換的開銷的。

直接與非直接 I/O

我們都知道磁盤 I/O 是非常慢的，所以 Linux 內核為了減少磁盤 I/O 次數，在系統調用后，會把用戶數據拷貝到內核中緩存起來，這個內核緩存空間也就是「頁緩存」，只有當緩存滿足某些條件的時候，才發起磁盤 I/O 的請求。

那么，根據是「否利用操作系統的緩存」，可以把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O：

• 直接 I/O，不會發生內核緩存和用戶程序之間數據復制，而是直接經過文件系統訪問磁盤。

• 非直接 I/O，讀操作時，數據從內核緩存中拷貝給用戶程序，寫操作時，數據從用戶程序拷貝給內核緩存，再由內核決定什么時候寫入數據到磁盤。

如果你在使用文件操作類的系統調用函數時，指定了 O_DIRECT 標志，則表示使用直接 I/O。如果沒有設置過，默認使用的是非直接 I/O。

如果用了非直接 I/O 進行寫數據操作，內核什么情況下才會把緩存數據寫入到磁盤？

以下幾種場景會觸發內核緩存的數據寫入磁盤：

• 在調用 write 的最后，當發現內核緩存的數據太多的時候，內核會把數據寫到磁盤上；

• 用戶主動調用 sync，內核緩存會刷到磁盤上；

• 當內存十分緊張，無法再分配頁面時，也會把內核緩存的數據刷到磁盤上；

• 內核緩存的數據的緩存時間超過某個時間時，也會把數據刷到磁盤上；

阻塞與非阻塞 I/O VS 同步與異步 I/O

為什么把阻塞 / 非阻塞與同步與異步放一起說的呢？因為它們確實非常相似，也非常容易混淆，不過它們之間的關系還是有點微妙的。

先來看看阻塞 I/O，當用戶程序執行 read ，線程會被阻塞，一直等到內核數據準備好，并把數據從內核緩沖區拷貝到應用程序的緩沖區中，當拷貝過程完成，read才會返回。

注意，阻塞等待的是「內核數據準備好」和「數據從內核態拷貝到用戶態」這兩個過程。過程如下圖：

非阻塞 I/O

注意，這里最后一次 read 調用，獲取數據的過程，是一個同步的過程，是需要等待的過程。這里的同步指的是內核態的數據拷貝到用戶程序的緩存區這個過程。

舉個例子，訪問管道或 socket 時，如果設置了 O_NONBLOCK 標志，那么就表示使用的是非阻塞 I/O 的方式訪問，而不做任何設置的話，默認是阻塞 I/O。

應用程序每次輪詢內核的 I/O 是否準備好，感覺有點傻乎乎，因為輪詢的過程中，應用程序啥也做不了，只是在循環。

為了解決這種傻乎乎輪詢方式，于是 I/O 多路復用技術就出來了，如 select、poll，它是通過 I/O 事件分發，當內核數據準備好時，再以事件通知應用程序進行操作。

這個做法大大改善了應用進程對 CPU 的利用率，在沒有被通知的情況下，應用進程可以使用 CPU 做其他的事情。

下圖是使用 select I/O 多路復用過程。注意，read 獲取數據的過程（數據從內核態拷貝到用戶態的過程），也是一個同步的過程，需要等待：

異步 I/O

下面這張圖，總結了以上幾種 I/O 模型：

在前面我們知道了，I/O 是分為兩個過程的：

1. 數據準備的過程

2. 數據從內核空間拷貝到用戶進程緩沖區的過程

阻塞 I/O 會阻塞在「過程 1 」和「過程 2」，而非阻塞 I/O 和基于非阻塞 I/O 的多路復用只會阻塞在「過程 2」，所以這三個都可以認為是同步 I/O。

異步 I/O 則不同，「過程 1 」和「過程 2 」都不會阻塞。

用故事去理解這幾種 I/O 模型

舉個你去飯堂吃飯的例子，你好比用戶程序，飯堂好比操作系統。

阻塞 I/O 好比，你去飯堂吃飯，但是飯堂的菜還沒做好，然后你就一直在那里等啊等，等了好長一段時間終于等到飯堂阿姨把菜端了出來（數據準備的過程），但是你還得繼續等阿姨把菜（內核空間）打到你的飯盒里（用戶空間），經歷完這兩個過程，你才可以離開。

非阻塞 I/O 好比，你去了飯堂，問阿姨菜做好了沒有，阿姨告訴你沒，你就離開了，過幾十分鐘，你又來飯堂問阿姨，阿姨說做好了，于是阿姨幫你把菜打到你的飯盒里，這個過程你是得等待的。

基于非阻塞的 I/O 多路復用好比，你去飯堂吃飯，發現有一排窗口，飯堂阿姨告訴你這些窗口都還沒做好菜，等做好了再通知你，于是等啊等（select 調用中），過了一會阿姨通知你菜做好了，但是不知道哪個窗口的菜做好了，你自己看吧。于是你只能一個一個窗口去確認，后面發現 5 號窗口菜做好了，于是你讓 5 號窗口的阿姨幫你打菜到飯盒里，這個打菜的過程你是要等待的，雖然時間不長。打完菜后，你自然就可以離開了。

異步 I/O 好比，你讓飯堂阿姨將菜做好并把菜打到飯盒里后，把飯盒送到你面前，整個過程你都不需要任何等待。

到此，相信大家對“Linux的I/O模型概念是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！