浅聊Linux的五种IO模型-低调大师

浅聊Linux的五种IO模型

2021-04-25 527

微信搜索：码农StayUp
主页地址：https://gozhuyinglong.github.io
源码分享：https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos

在日常 Coding 中，多多少少都会接触到网络 IO，就会想要深入了解一下。看了很多文章，总是云里雾里的感觉，直到读了《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》中的介绍后，才豁然开朗。这里就给大家分享一下，如有不对，欢迎指出。

1. 概念说明

为了便于理解后面的内容，我们先来了解一些概念。

1.1 Socket

Socket 中文翻译为套接字，是计算机网络中进程间进行双向通信的端点的抽象。一个 Socket 代表了网络通信的一端，是由操作系统提供的进程间通信机制。

在操作系统中，通常会为应用程序提供一组应用程序接口，称为 Socket 接口（Socket API）。应用程序可以通过 Socket 接口，来使用网络 Socket，以进行数据的传输。
一个 Socket 由IP地址和端口组成，即：Socket 地址 = IP地址 : 端口号。
在同一台计算机上，TCP 协议与 UDP 协议可以同时使用相同的端口（Port），而互不干扰。
要想实现网络通信，至少需要一对 Socket，其中一个运行在客户端，称之为 Client Socket；另一个运行在服务器端，称之为 Server Socket。
Socket 之间的连接过程可以分为三个步骤：（1）服务器监听；（2）客户端连接；（3）连接确认。

1.2 Socket 缓冲区

每个 Socket 被创建后，都会在内核中分配两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。

通过 Socket 发送数据并不会立即向网络中传输数据，而是先将数据写入到输出缓冲区中，再由 TCP 协议将数据从输出缓冲区发送到目标主机。
通过 Socket 接收数据也是如此，也是从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

1.3 用户空间、内核空间、系统调用

操作系统的进程空间可以分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space），它们需要不同的执行权限。

大多数系统交互式操作需要在内核空间中运行，比如设备 IO 操作。
我们的应用程序运行在用户空间，是不具备系统级的直接操作权限的。如果应用程序想要访问系统核心功能，必须通过系统调用（System Call）来完成。比如调用recv()函数，会将输入缓冲区中的内容拷贝到用户缓冲区。
系统调用运行在内核空间，是操作系统为应用程序提供的接口。

下面列举了一些 Linux 操作系统中的系统调用接口（部分函数后面章节会用到）：

socketcall socket系统调用
socket 建立socket
bind 绑定socket到端口
connect 连接远程主机
accept 响应socket连接请求
send 通过socket发送信息
sendto 发送UDP信息
recv 通过socket接收信息
recvfrom 接收UDP信息
listen 监听socket端口
select 对多路同步IO进行轮询
shutdown 关闭socket上的连接
sigaction 设置对指定信号的处理方法

1.4 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞，用于描述调用者在等待返回结果时的状态。

阻塞：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，这期间当前线程会被挂起（阻塞）。
非阻塞：调用者发起请求后，会立刻返回，当前线程也不会阻塞。该调用不会立刻得到结果，调用者需要定时轮询查看处理状态。

1.5 同步与异步

而同步与异步，用于描述调用结果的返回机制（或者叫通信机制）。

同步：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，即由调用者主动等待这个调用结果。
异步：调用者发起请求后，会立刻返回，但不会立刻得到这个结果，而是由被调者在执行结束后主动通知（如 Callback）调用者。

2. 五种 IO 模型

IO 模型是指：用什么样的通道或者说是通信模式进行数据的传输，这很大程序上决定了程序通信的性能。

Linux 系统为我们提供五种可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路复用模型、信号驱动 IO 模型和异步 IO 模型。

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO （Blocking IO）：应用进程从发起 IO 系统调用，至内核返回成功标识，这整个期间是处于阻塞状态的。

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式IO（Non-Blocking IO）：应用进程可以将 Socket 设置为非阻塞，这样应用进程在发起 IO 系统调用后，会立刻返回。应用进程可以轮询的发起 IO 系统调用，直到内核返回成功标识。

2.3 IO 多路复用模型

IO 多路复用（IO Multiplexin）：可以将多个应用进程的 Socket 注册到一个 Select（多路复用器）上，然后使用一个进程来监听该 Select（该操作会阻塞），Select 会监听所有注册进来的 Socket。只要有一个 Socket 的数据准备好，就会返回该Socket。再由应用进程发起 IO 系统调用，来完成数据读取。

2.4 信号驱动 IO 模型

信号驱动 IO（Signal Driven IO）：可以为 Socket 开启信号驱动 IO 功能，应用进程需向内核注册一个信号处理程序，该操作并立即返回。当内核中有数据准备好，会发送一个信号给应用进程，应用进程便可以在信号处理程序中发起 IO 系统调用，来完成数据读取了。

2.5 异步 IO 模型

异步 IO（Asynchronous IO）：应用进程发起 IO 系统调用后，会立即返回。当内核中数据完全准备后，并且也复制到了用户空间，会产生一个信号来通知应用进程。

3. 总结

从上述五种 IO 模型可以看出，应用进程对内核发起 IO 系统调用后，内核会经过两个阶段来完成数据的传输：

第一阶段：等待数据。即应用进程发起 IO 系统调用后，会一直等待数据；当有数据传入服务器，会将数据放入内核空间，此时数据准备好。
第二阶段：将数据从内核空间复制到用户空间，并返回给应用程序成功标识。

前四种模型的第二阶段是相同的，都是处于阻塞状态，其主要区别在第一阶段。而异步 IO 模型则不同，应用进程在这两个阶段是完全不阻塞的。

IO 模型	第一阶段	第二阶段
阻塞式IO	阻塞	阻塞
非阻塞式IO	非阻塞	阻塞
IO多路程复用	阻塞（Select）	阻塞
信号驱动式IO	异步	阻塞
异步IO	异步	异步

参考资料

UNIX网络编程卷1：套接字联网API

推荐阅读

微信关注我们

原文链接：https://my.oschina.net/gozhuyinglong/blog/5031597

转载内容版权归作者及来源网站所有！

低调大师中文资讯倾力打造互联网数据资讯、行业资源、电子商务、移动互联网、网络营销平台。持续更新报道IT业界、互联网、市场资讯、驱动更新,是最及时权威的产业资讯及硬件资讯报道平台。

【ShardingSphere】做优化上来就分库分表？请慎重分库分表

分库分表、分区能解决很多的问题，这也是我们在优化的时候常常听到的一些可行的方案，不过提到优化就来分库分表是不是不太合适，本文所阐述的就是分库分表、分区，什么时候用，应该怎么用，怎么选择。话题起点最近听到一些学员的面试复述，基本很多的人去面试的时候都会碰到要对MySQL进行优化这样的题目，很多学员很有经验的学员也在这上面栽了跟头。基本回答有几种加索引分库分表分区读写分离冷热数据处理采坑分析上面的几点，其实能够想到的情况下，看似是不错的。而且很多人也觉得这是标准答案。从表面上看，确实没有很大的问题，实实在在的解决了一些性能问题。不过很多人对这些东西所带来的问题并没有高清楚，同时有些技术在数据库性能不同的阶段是否适合，这个是一个必须要考虑的问题。采坑的几个点总结如下: 笼统的去描述优化，根本不知道使用的优化策略到底是不是适合的。这个问题在商业开发中很容易出现重大事故如果只考虑这几点，其实是不太够的，我们还需要考虑磁盘、成本、IO等问题。这个问题商业开发中也是会出现，同时也会极大的增加投入成本对代码的优化也是必要的，很多的时候，代码、SQL的优化能给我们带来很好的效益，...

2021-04-25

849

作者：汤圆个人博客：javalover.cc 前言官人们好啊，我是汤圆，今天给大家带来的是《线程的安全性 - 并发基础篇》，希望有所帮助，谢谢文章纯属原创，个人总结难免有差错，如果有，麻烦在评论区回复或后台私信，谢啦简介当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就说这个类是线程安全的目录这次分三步走：关于相关知识点，放在文末的脑图里了，大家想看结论的，可直接下拉观看哦创建一个线程安全的类创建一个线程不安全的类：有一个状态变量创建一个线程不安全的类：有多个状态变量正文线程的安全性主要是针对对象的状态（实例属性或静态属性）而言的，如果在多线程中，访问到的对象状态不一致（比如常见的自增属性），那么就是线程不安全的下面我们一步步来先来个无状态类第一步：无状态类这里我们写一个简单的线程安全类，简单到什么地步呢？如下所示 public class SafeDemo { public int sum(int n, int m){ return n + m; } } 就是这么简单，我们说这个类是线程安全的为啥安全呢？因为这个类没有状态，即无状态类；...

2021-04-25

371

资源下载

更多资源

Mario

马里奥是站在游戏界顶峰的超人气多面角色。马里奥靠吃蘑菇成长，特征是大鼻子、头戴帽子、身穿背带裤，还留着胡子。与他的双胞胎兄弟路易基一起，长年担任任天堂的招牌角色。

腾讯云软件源

为解决软件依赖安装时官方源访问速度慢的问题，腾讯云为一些软件搭建了缓存服务。您可以通过使用腾讯云软件源站来提升依赖包的安装速度。为了方便用户自由搭建服务架构，目前腾讯云软件源站支持公网访问和内网访问。

Spring

Spring框架（Spring Framework）是由Rod Johnson于2002年提出的开源Java企业级应用框架，旨在通过使用JavaBean替代传统EJB实现方式降低企业级编程开发的复杂性。该框架基于简单性、可测试性和松耦合性设计理念，提供核心容器、应用上下文、数据访问集成等模块，支持整合Hibernate、Struts等第三方框架，其适用范围不仅限于服务器端开发，绝大多数Java应用均可从中受益。

Rocky Linux

Rocky Linux（中文名：洛基）是由Gregory Kurtzer于2020年12月发起的企业级Linux发行版，作为CentOS稳定版停止维护后与RHEL（Red Hat Enterprise Linux）完全兼容的开源替代方案，由社区拥有并管理，支持x86_64、aarch64等架构。其通过重新编译RHEL源代码提供长期稳定性，采用模块化包装和SELinux安全架构，默认包含GNOME桌面环境及XFS文件系统，支持十年生命周期更新。