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IO模型前戏

开发技术 开发技术 13小时前 9次浏览

IO多路复用

前面是用协程实现的IO阻塞自动切换,那么协程又是怎么实现的,在原理是是怎么实现的。如何去实现事件驱动的情况下IO的自动阻塞的切换,这个学名叫什么呢? => IO多路复用 
比如socketserver,多个客户端连接,单线程下实现并发效果,就叫多路复用。 
  
同步IO和异步IO,阻塞IO和非阻塞IO分别是什么,到底有什么区别?不同的人在不同的上下文下给出的答案是不同的。所以先限定一下本文的上下文。 

本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。

1 IO模型前戏准备

在进行解释之前,首先要说明几个概念:

  1. 用户空间和内核空间
  2. 进程切换
  3. 进程的阻塞
  4. 文件描述符
  5. 缓存 I/O

用户空间与内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。 
操作系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。 
为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel),保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。 
针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。 

进程切换

为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换,这种切换是由操作系统来完成的。因此可以说,任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。 
从一个进程的运行转到另一个进程上运行,这个过程中经过下面这些变化:

保存处理机上下文,包括程序计数器和其他寄存器。

更新PCB信息。

把进程的PCB移入相应的队列,如就绪、在某事件阻塞等队列。

选择另一个进程执行,并更新其PCB。

更新内存管理的数据结构。

恢复处理机上下文。 
注:总而言之就是很耗资源

进程的阻塞

正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的。

文件描述符fd

文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。 
文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上,它是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存( page cache )中,也就是说,数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。用户空间没法直接访问内核空间的,内核态到用户态的数据拷贝 

思考:为什么数据一定要先到内核区,直接到用户内存不是更直接吗?
缓存 I/O 的缺点: 

数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作,这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

 

       同步(synchronous) IO和异步(asynchronous) IO,阻塞(blocking) IO和非阻塞(non-blocking)IO分别是什么,到底有什么区别?这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同,比如wiki,就认为asynchronous IO和non-blocking IO是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同,并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以,为了更好的回答这个问题,我先限定一下本文的上下文。
本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。 

Stevens在文章中一共比较了五种IO Model:

      •     blocking IO
      •     nonblocking IO
      •     IO multiplexing
      •     signal driven IO
      •     asynchronous IO

由于signal driven IO在实际中并不常用,所以我这只提及剩下的四种IO Model。
再说一下IO发生时涉及的对象和步骤。
      对于一个network IO (这里我们以read举例),它会涉及到两个系统对象,一个是调用这个IO的process (or thread),另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:
 1 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
 2 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)
记住这两点很重要,因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。


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