CentOS下常用I/O模型

簡介
Linux非同步I/O是Linux核心中提供的一個相當新的增強。它是2.6版本核心的一個標準特性，非同步非阻塞I/O背後的基本思想是允許進程發起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍後或在接收到I/O操作完成的通知時，進程就可以檢索I/O操作的結果。

這並不是一個詳盡的介紹，但是我們將試圖介紹最常用的一些模型來解釋它們與非同步I/O之間的區別。給出了同步和非同步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

每個I/O模型都有自己的使用模式，它們對於特定的應用程式都有自己的優點。本節將簡要對其一一進行介紹。

同步阻塞I/O
最常用的一個模型是同步阻塞I/O模型。在這個模型中，使用者空間的應用程式執行一個系統調用，這會導致應用程式阻塞。這意味著應用程式會一直阻塞，直到系統調用完成為止（資料轉送完成或發生錯誤）。調用應用程式處於一種不再消費 CPU 而只是簡單等待響應的狀態，因此從處理的角度來看，這是非常有效。
給出了傳統的阻塞I/O模型，這也是目前應用程式中最為常用的一種模型。其行為非常容易理解，其用法對於典型的應用程式來說都非常有效。在調用 read 系統調用時，應用程式會阻塞並對核心進行環境切換。然後會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的裝置中返回），資料就被移動到使用者空間的緩衝區中。然後應用程式就會解除阻塞（read 調用返回）。

從應用程式的角度來說，read 調用會延續很長時間。實際上，在核心執行讀操作和其他工作時，應用程式的確會被阻塞。

同步非阻塞I/O
同步阻塞I/O的一種效率稍低的變種是同步非阻塞I/O。在這種模型中，裝置是以非阻塞的形式開啟的。這意味著I/O操作不會立即完成，read 操作可能會返回一個錯誤碼，說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），如所示。

非阻塞的實現是I/O命令可能並不會立即滿足，需要應用程式調用許多次來等待操作完成。這可能效率不高，因為在很多情況下，當核心執行這個命令時，應用程式必須要進行忙碌等待，直到資料可用為止，或者試圖執行其他工作。正 3 所示的一樣，這個方法可以引入I/O操作的延時，因為資料在核心中變為可用到使用者調用 read 返回資料之間存在一定的間隔，這會導致整體資料輸送量的降低。

非同步阻塞I/O
另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞I/O。在這種模型中，配置的是非阻塞I/O，然後使用阻塞 select 系統調用來確定一個I/O描述符何時有操作。使 select 調用非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知，而不僅僅為一個描述符提供通知。對於每個提示符來說，我們可以請求這個描述符可以寫資料、有讀資料可用以及是否發生錯誤的通知。

select 調用的主要問題是它的效率不是非常高。儘管這是非同步通知使用的一種方便模型，但是對於高效能的I/O操作來說不建議使用。

非同步非阻塞I/O
最後，非同步非阻塞I/O模型是一種處理與I/O重疊進行的模型。讀請求會立即返回，說明 read 請求已經成功發起了。在後台完成讀操作時，應用程式然後會執行其他處理操作。當 read 的響應到達時，就會產生一個訊號或執行一個基於線程的回呼函數來完成這次I/O處理過程

在一個進程中為了執行多個I/O請求而對計算操作和I/O處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與I/O速度之間的差異。當一個或多個I/O請求掛起時，CPU 可以執行其他任務；或者更為常見的是，在發起其他I/O的同時對已經完成的I/O進行操作。