一些概念:
虚拟空间:是进程所看到的所有地址组成的空间。虚拟空间某个进程对所有分配给它的所有物理地址的重新映射。
寻址返回与计算机的位数有关系。分为内核空间与用户空间。针对32位的Linux系统,最高的1G字节为内核空间。最低的3G字节为用户空间。
进程阻塞:这是进程自身的一种主动行为。当进程进入阻塞状态的时候,不占用CPU资源。
文件描述符fd:非负整数,是一个索引值。指向内核为每一个进程所维护的该进程的打开文件记录表。
缓存IO:大多数文件系统的默认IO都是缓存IO。过程是:数据先被拷贝到操作系统的内核缓冲区(页缓存 page cache)中,然后再拷贝到应用程序的地址空间。
举例:
当一个read操作发生时,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)
LInux IO模式分为5种:
阻塞IO(blocking IO)
非阻塞IO(non-blocking IO)
IO多路复用(IO multiplexing)
信号驱动IO(signal driven IO) (不常用)
异步IO(asynchronous IO)
阻塞IO(blocking IO):
在Linux中,默认情况下,所有的socket都是blocking的。图示如下:
上面提到了两个阶段,再blocking IO里,两个阶段都被阻塞了
非阻塞IO(nonblocking IO)
图示如下:
nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据准备好了没有
IO多路复用(IO multiplexing)
也称为event driven IO,包括select,poll,epoll。单个进程可以同时处理多个网络连接的IO。
原理是select,poll,epoll会不断轮询所负责的socket,当socket有数据到达了,会通知用户进程
图示如下:
用户进程调用了select,整个进程会被block。同时kernel会监视所有select负责的socket,当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候再调用read,将数据从kernel拷贝到用户进程
在这里,我们使用了select,recvfrom两个system call,相比较blocking IO的一个system call(recvfrom)效率更差,使用select的优势在于它可以同时处理多个connection,而不是对于单个连接处理的更快。
所以,当要处理的连接数不是很高的话,使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好,可能延迟更大。
在IO multiplexing model里,对于每一个socket,一般都设置成non-blocking的。大多数情况下,整个用户的process被select函数所阻塞
异步IO(asynchronous IO)
异步IO的流程如下:
用户进程发起read之后立即返回,去做其他的事情。
kernel收到read之后,不会对用户进程产生任何block。而是等待数据准备完成,将数据拷贝到用户内存,然后给用户进程发送一个signal,告诉read操作完成了
总结:
blocking和non-blocking的区别
调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下立即返回
syschronous IO和asynchronous IO的区别
判断同步IO,异步IO的关键点在于在真实的IO操作里(比如recvfrom),进程有没有被阻塞。
在non-blocking中,如果kernel的数据没有准备好,这时候固然不会block进程。但是当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存里,这时候进程是被block的,所以non-blocking,blocking均是同步IO
而异步IO是当进程发起IO操作之后,立即返回,再也不理睬,知道收到kernel发送的IO完成的信号。在这个过程中,进程完全没有被block
同步异步的区分点在于:用户进程是怎样知道数据ok了的(自己主动check得知,还是接收到的signal得知);数据在kernel中准备完成之后,是谁负责拷贝数据到用户内存的(自己拷贝还是kernel负责拷贝的)
各个IO model的比较图:
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