linux的五種I/O模型

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I/O操作如何完成？
由於進程無法直接操作I/O裝置，因此必須通過系統調用請求kernel來協助完成I/O操作，核心會為每一個I/O裝置維護一個buffer。其工作流程為：

 

對於輸入而言，等待（wait）資料輸入至buffer中需要時間，在從buffer複製（copy）到使用者進程緩衝區中也需要時間。因此，根據等待模式不同，I/O動作可以分為5種模式：
linux中的5種I/O模型

1、阻塞I/O模型
在這個模型下。當進程執行系統調用時，如果在使用者進程空間的緩衝區中沒有找到相應的資料，則進程將處於阻塞狀態。當核心從磁碟上讀取資料到核心空間的buffer中，並且buffer中的資料複製到使用者進程空間的緩衝區中這段時間裡，進程都將處於阻塞狀態。當資料到達使用者進程緩衝區中，進程就會解除阻塞狀態，再有進程將資料返回給用戶端。
由於進程處於阻塞狀態，因此很少佔用cpu，只是等待cpu的響應。因此，這種模型可以提高cpu的使用效率。在這種模型下，如果使用者進程空間中依然沒有資料，此時將進程喚醒，仍然沒有什麼用，因此，我們將這種睡眠叫做不可中斷睡眠。
其工作原理：

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2、非阻塞I/O模型
在這種模型下。進程執行系統調用，如果在使用者進程空間緩衝區中沒有找到資料，則進程不會處於阻塞狀態。而是進程不斷的詢問使用者進程空間緩衝區中是否有資料。如果沒有，立即返回EWOULDBLOCK，此時由於進程處於非阻塞狀態，因此，該進程可以做其他的事情。
在這種模型下，進程需要不斷的詢問使用者進程緩衝區中是否有資料，因此，會造成cpu大量的進行環境切換（進程切換），會大量的消耗cpu。這種模型很少被人使用。
其工作原理：

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3、I/O多工
在這種模型下，進程會受阻於select，poll或epoll函數。這兩個函數可以阻塞多個I/O操作，可以同時對多個讀操作和多個寫操作進行檢測，直到資料變成可讀或可寫時，即資料已經載入到buffer中。才真正調用I/O操作函數，然後再將buffer中的資料複製到使用者進程緩衝區中，然後進程讀取其資料，最後返回給用戶端。
其工作原理：

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4、訊號驅動I/O模型
在這種模型，當核心將資料讀取到核心空間中的buffer中時，核心會為進程產生一個SIGIO訊號。告知進程資料已準備好了，然後進程執行系統調用，將buffer中的資料拷貝至使用者進程緩衝區中，最後進程讀取相應的資料返回給用戶端。
其工作原理：

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5、非同步I/O模型
在這種模型下，資料從磁碟載入到buffer中，再將buffer中的資料複製到使用者進程緩衝區。當資料複製完成後，核心會發生一個訊號給進程，這樣進程會在使用者進程緩衝區中讀取資料，然後再返回給用戶端。
其工作原理：

非同步I/O模型與訊號驅動I/O模型的主要區別在於；訊號驅動模型是由核心告知何時啟動I/O操作；而非同步I/O模型是由核心告知I/O操作何時完成。

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5種不同的I/O模型比較

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同步I/O:synchronous I/O,引起請求進程阻塞，直到I/O完成。在阻塞I/O模型和非阻塞I/O模型中讀寫操作使用的是同步I/O
非同步I/O：asynchronous I/O ,不導致請求進程阻塞。在I/O多工模型和非同步I/O模型中使用的是非同步I/O

 

水平觸發：隔一段時間通知一次，直到進程看到
邊緣觸發：只發送一次通知，不管進程是否看到

進程和線程的特點
進程特點：
1、對於多進程模型而言，一個進程響應一個請求
2、進程量大，進程切換次數過多
3、每個進程的地址空間是獨立，很多空間是重複的資料，所以記憶體使用量效率較低

線程特點：
1、每個線程響應一個請求：
2、線程依然切換：切換較之進程屬於輕量級
3、同一個進程的線程可以共用進程的諸多資源，比如開啟的檔案；
4、對記憶體的需求較之進程略有下降；
5、快速切換時會帶來線程抖動

 

本文出自 “linux學習之路” 部落格，轉載請與作者聯絡！

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