做中国最专业的健康门户网站,wordpress更新之后字体发生变化,的网站建设公司,网站建设教程主页Linux操作系统提供了五种主要的IO#xff08;输入/输出#xff09;模型#xff0c;这些模型旨在优化应用程序对输入输出操作的管理和处理。以下是关于这五种IO模型的详细介绍。
一、阻塞IO#xff08;Blocking IO#xff09;
阻塞IO是最常见、最传统的IO模型。在这种模型…Linux操作系统提供了五种主要的IO输入/输出模型这些模型旨在优化应用程序对输入输出操作的管理和处理。以下是关于这五种IO模型的详细介绍。
一、阻塞IOBlocking IO
阻塞IO是最常见、最传统的IO模型。在这种模型中当用户进程发起一个IO请求后内核会一直等待直到IO操作完成并返回结果。在此期间用户进程会被阻塞无法进行其他操作。
1. 工作原理
当用户进程调用如recvfrom这样的系统调用时内核会开始IO的第一个阶段准备数据。对于网络IO来说很多时候数据在一开始还没有到达比如还没有收到一个完整的UDP包。这时内核会等待足够的数据到来。这个过程需要等待也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边整个进程会被阻塞直到内核等到数据准备好了才会将数据从内核中拷贝到用户内存然后返回结果用户进程才解除阻塞状态重新运行起来。
2. 特点
简单易用阻塞IO模型易于理解和实现开发者不需要处理复杂的IO状态检查和轮询。效率不高由于用户进程在IO操作期间被阻塞无法执行其他任务导致CPU资源利用率低。适用场景阻塞IO模型通常适用于单线程、同步、串行的应用程序如文件传输、打印机等。
3. 示例
假设一个用户进程需要从套接字读取数据。在阻塞IO模型中当用户进程调用recv函数时如果套接字缓冲区没有就绪数据包进程状态将从TASK_RUNNING切换至TASK_INTERRUPTIBLE状态并通过进程调度完成进程阻塞。同时进程也会加入到套接字等待队列等待数据到来后被唤醒。当网卡收到数据包后通过DMA机制将数据包拷贝到内核空间RingBuffer并通过中断机制将数据包拷贝至套接字接收缓冲区。套接字接收到数据包后会唤醒等待队列中的休眠进程。进程被唤醒后继续完成用户空间和内核空间的数据同步recv函数成功返回。
二、非阻塞IONon-blocking IO
非阻塞IO是在阻塞IO的基础上进行改进的一种IO模型。在这种模型中当用户进程发起一个IO请求后内核会立即返回一个错误码表示IO操作还未完成。用户进程可以继续进行其他操作随后再通过轮询的方式来查询IO操作是否完成。
1. 工作原理
当用户进程调用如recv这样的非阻塞IO函数时如果套接字缓冲区没有就绪数据包recv函数会立即返回EWOULDBLOCK错误码。用户进程可以一直调用recv函数直到数据准备好为止。在非阻塞IO模型中用户进程需要不断地询问内核数据是否就绪也就是说非阻塞IO不会交出CPU而会一直占用CPU。
2. 特点
避免阻塞非阻塞IO模型允许用户进程在IO操作期间执行其他任务提高了CPU资源的利用率。轮询开销由于用户进程需要不断地询问内核数据是否就绪这会导致CPU占用率非常高因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。适用场景非阻塞IO模型适用于需要同时处理多个IO操作的应用程序如服务器程序中的多客户端连接处理。
3. 示例
假设一个用户进程需要从套接字读取数据。在非阻塞IO模型中当用户进程调用recv函数时如果套接字缓冲区没有就绪数据包recv函数会立即返回EWOULDBLOCK错误码。用户进程可以一直调用recv函数直到数据准备好为止。在这个过程中用户进程可以继续执行其他任务如处理其他客户端的连接请求。当数据准备好后用户进程再次调用recv函数成功读取数据。
三、IO复用IO Multiplexing
IO复用是指通过select、poll、epoll等系统调用来监听多个文件描述符的IO事件。当某个文件描述符就绪时一般是读就绪或者写就绪内核会通知用户进程进行IO操作。
1. 工作原理
IO复用模型允许一个进程同时监视多个文件描述符当其中任意一个文件描述符就绪时就可以进行相应的IO操作。相比于阻塞IO和非阻塞IOIO复用可以同时监听多个文件描述符提高了IO效率。在Linux中常用的IO复用模型有select、poll、epoll等。
select通过位图实现IO复用将socket注册到读、写或异常位图通过select系统调用轮询位图获取socket事件。成功获取到socket事件后select成功返回此时可以通过接收函数读取socket缓冲区数据。poll和select非常相似主要区别为poll将位图改成链表。poll通过链表实现IO复用将socket注册到poll_list链表通过poll系统调用轮询链表获取socket事件。成功获取到socket事件后poll成功返回此时可以通过接收函数读取socket缓冲区数据。epoll采用回调方式获取就绪socket事件相比于select和poll模型的轮询方式效率更高。通过epoll_ctl系统调用注册socket事件至红黑树当socket接收到数据后通过回调函数将socket事件添加至就绪队列。调用epoll_wait查询就绪队列就能获取到socket事件。
2. 特点
高效IO复用模型可以同时监听多个文件描述符提高了IO效率。适用场景IO复用模型适用于需要同时处理多个IO操作的应用程序如服务器程序中的多客户端连接处理。
3. 示例
假设一个服务器程序需要同时处理多个客户端的连接请求。在IO复用模型中服务器程序可以使用epoll系统调用来监听所有客户端的连接请求。当某个客户端的连接请求到达时epoll会通知服务器程序进行相应的处理。服务器程序可以读取客户端发送的数据并返回响应。这样服务器程序就可以同时处理多个客户端的连接请求提高了并发处理能力。
四、信号驱动IOSignal-driven IO
信号驱动IO是指用户进程通过signal或sigaction系统调用来注册一个信号处理函数。当IO操作完成时内核会向用户进程发送一个SIGIO信号用户进程在信号处理函数中进行IO操作。
1. 工作原理
用户进程首先注册一个SIGIO信号处理函数。当内核收到数据后会发送SIGIO信号给用户进程。用户进程在信号处理函数中调用如recv这样的函数来完成IO操作。
2. 特点
避免阻塞信号驱动IO模型可以避免用户进程被阻塞提高了IO效率。复杂性信号驱动IO模型需要处理信号处理函数的注册和调用增加了程序的复杂性。适用场景信号驱动IO模型适用于需要处理大量IO操作且不希望被阻塞的应用程序。
3. 示例
假设一个用户进程需要从套接字读取数据。在信号驱动IO模型中用户进程首先通过signal或sigaction系统调用来注册一个SIGIO信号处理函数。当内核收到数据后会发送SIGIO信号给用户进程。用户进程在信号处理函数中调用recv函数来读取数据。这样用户进程就可以在不被阻塞的情况下处理IO操作。
五、异步IOAsynchronous IO
异步IO是指当用户进程发起一个IO请求后内核会立即返回表示IO操作已经开始。当IO操作完成后内核会通知用户进程用户进程在此时才进行IO操作。
1. 工作原理
在异步IO模型中用户进程发起IO请求后内核会立即返回。用户进程可以继续执行其他任务。当IO操作完成后内核会通过通知机制如回调函数来通知用户进程。用户进程在收到通知后再进行IO操作。
2. 特点
高效异步IO模型允许用户进程在IO操作期间执行其他任务提高了CPU资源的利用率。复杂性异步IO模型需要处理通知机制和回调函数的注册和调用增加了程序的复杂性。适用场景异步IO模型适用于需要处理大量IO操作且对响应时间有严格要求的应用程序。
3. 示例
假设一个用户进程需要从套接字读取数据。在异步IO模型中用户进程发起IO请求后内核会立即返回。用户进程可以继续执行其他任务。当数据准备好后内核会通过回调函数来通知用户进程。用户进程在收到通知后调用如recv这样的函数来读取数据。这样用户进程就可以在不被阻塞的情况下处理IO操作并且能够在数据准备好后立即进行处理。
总结
Linux操作系统提供了五种主要的IO模型阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO。每种模型都有其优缺点和适用场景。开发者在选择IO模型时需要根据应用程序的具体需求和性能要求来进行权衡和选择。
阻塞IO简单易用但效率不高适用于单线程、同步、串行的应用程序。非阻塞IO避免阻塞但轮询开销大适用于需要同时处理多个IO操作的应用程序。IO复用高效且适用于多客户端连接处理的应用程序。信号驱动IO避免阻塞但增加了程序的复杂性适用于需要处理大量IO操作且不希望被阻塞的应用程序。异步IO高效且对响应时间有严格要求的应用程序。
