歡迎光臨
每天分享高質量文章

漫話:如何給女朋友解釋什麼是Linux的五種IO模型?

來自:漫話編程(微信號:mhcoding)

漫小畫

擅長漫話

程小員

擅長編程

周日午後,剛剛放下手裡的電話,正在給剛剛的面試者寫評價。剛剛寫到『對Linux的基本IO模型理解不深』這句的時候,女朋友突然出現。


哈,這個面試者咋不知道IO模型呢,我都知道呢。 




你怎麼知道呢,你給我說說。


上次你給我講過呀。



在Java中,主要有三種IO模型,分別是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和 異步IO(AIO)。



額、你說的這個是Java中提供的IO有關的API啊。並不是操作系統層面的IO模型呢。


這有啥區別嗎?他們有啥關係嗎?



Java中提供的IO有關的API,在檔案處理的時候,其實依賴操作系統層面的IO操作實現的。比如在Linux 2.6以後,Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的,而在Windows上,AIO是通過IOCP來實現的。

可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解為是Java語言對操作系統的各種IO模型的封裝。程式員在使用這些API的時候,不需要關心操作系統層面的知識,也不需要根據不同操作系統編寫不同的代碼。只需要使用Java的API就可以了。

哦。那這個我不懂,你給我講講吧。 




好吧,那就給你簡單介紹一下吧。


嗯嗯,好的,講的好了的話,晚上給你做紅燒魚吃。




嗯嗯,好的。


在Linux(UNIX)操作系統中,共有五種IO模型,分別是:阻塞IO模型非阻塞IO模型IO復用模型信號驅動IO模型以及異步IO模型

既然提到晚上吃魚,那就通過釣魚的例子來解釋這五種IO模型吧。

到底什麼是IO

我們常說的IO,指的是檔案的輸入和輸出,但是在操作系統層面是如何定義IO的呢?到底什麼樣的過程可以叫做是一次IO呢?

拿一次磁盤檔案讀取為例,我們要讀取的檔案是儲存在磁盤上的,我們的目的是把它讀取到記憶體中。可以把這個步驟簡化成把資料從硬體(硬碟)中讀取到用戶空間中。

其實真正的檔案讀取還涉及到快取等細節,這裡就不展開講述了。關於用戶空間、內核空間以及硬體等的關係如果讀者不理解的話,可以通過釣魚的例子理解。

釣魚的時候,剛開始魚是在魚塘裡面的,我們的釣魚動作的最終結束標誌是魚從魚塘中被我們釣上來,放入魚簍中。

這裡面的魚塘就可以映射成磁盤,中間過渡的魚鉤可以映射成內核空間,最終放魚的魚簍可以映射成用戶空間。一次完整的釣魚(IO)操作,是魚(檔案)從魚塘(硬碟)中轉移(拷貝)到魚簍(用戶空間)的過程。

阻塞IO模型

我們釣魚的時候,有一種方式比較愜意,比較輕鬆,那就是我們坐在魚竿面前,這個過程中我們什麼也不做,雙手一直把著魚竿,就靜靜的等著魚兒咬鉤。一旦手上感受到魚的力道,就把魚釣起來放入魚簍中。然後再釣下一條魚。

映射到Linux操作系統中,這就是一種最簡單的IO模型,即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最簡單的 I/O 模型,一般表現為行程或執行緒等待某個條件,如果條件不滿足,則一直等下去。條件滿足,則進行下一步操作。

應用行程通過系統呼叫 recvfrom 接收資料,但由於內核還未準備好資料報,應用行程就會阻塞住,直到內核准備好資料報,recvfrom 完成資料報複制工作,應用行程才能結束阻塞狀態。

這種釣魚方式相對來說比較簡單,對於釣魚的人來說,不需要什麼特製的魚竿,拿一根夠長的木棍就可以悠閑的開始釣魚了(實現簡單)。缺點就是比較耗費時間,比較適合那種對魚的需求量小的情況(併發低,時效性要求低)。

這個釣魚的人真傻,等魚咬鉤的時候可以做點別的事情呀。 




嗯,你說的這種就是兩外一種IO模型了。


非阻塞IO模型

我們釣魚的時候,在等待魚兒咬鉤的過程中,我們可以做點別的事情,比如玩一把王者榮耀、看一集《延禧攻略》等等。但是,我們要時不時的去看一下魚竿,一旦發現有魚兒上鉤了,就把魚釣上來。

映射到Linux操作系統中,這就是非阻塞的IO模型。應用行程與內核交互,目的未達到之前,不再一味的等著,而是直接傳回。然後通過輪詢的方式,不停的去問內核資料準備有沒有準備好。如果某一次輪詢發現資料已經準備好了,那就把資料拷貝到用戶空間中。

應用行程通過 recvfrom 呼叫不停的去和內核交互,直到內核准備好資料。如果沒有準備好,內核會傳回error,應用行程在得到error後,過一段時間再發送recvfrom請求。在兩次發送請求的時間段,行程可以先做別的事情。

這種方式釣魚,和阻塞IO比,所使用的工具沒有什麼變化,但是釣魚的時候可以做些其他事情,增加時間的利用率。

這樣確實好了一點了。魚兒上鉤之前我可以去淘寶挑兩條裙子。 




額,但是你還是要時不時的關註魚竿的動向。


這還不好解決,買一個帶提醒功能的魚竿不就行了。 




嗯,你說的又是另外一種IO模型了。


信號驅動IO模型

我們釣魚的時候,為了避免自己一遍一遍的去查看魚竿,我們可以給魚竿安裝一個報警器。當有魚兒咬鉤的時候立刻報警。然後我們再收到報警後,去把魚釣起來。

映射到Linux操作系統中,這就是信號驅動IO。應用行程在讀取檔案時通知內核,如果某個 socket 的某個事件發生時,請向我發一個信號。在收到信號後,信號對應的處理函式會進行後續處理。

應用行程預先向內核註冊一個信號處理函式,然後用戶行程傳回,並且不阻塞,當內核資料準備就緒時會發送一個信號給行程,用戶行程便在信號處理函式中開始把資料拷貝的用戶空間中。

這種方式釣魚,和前幾種相比,所使用的工具有了一些變化,需要有一些定製(實現複雜)。但是釣魚的人就可以在魚兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等著報警器響就行了。

嗯,這種方式最輕鬆啦。




是的。我問你啊,你還有什麼好的方法可以最短時間內釣更多的魚嗎?


這還能難倒我麽,同一時間擺放多個魚竿同時釣唄。




好聰明,你說的又是另外一種IO模型了。


IO復用模型

我們釣魚的時候,為了保證可以最短的時間釣到最多的魚,我們同一時間擺放多個魚竿,同時釣魚。然後哪個魚竿有魚兒咬鉤了,我們就把哪個魚竿上面的魚釣起來。

映射到Linux操作系統中,這就是IO復用模型。多個行程的IO可以註冊到同一個管道上,這個管道會統一和內核進行交互。當管道中的某一個請求需要的資料準備好之後,行程再把對應的資料拷貝到用戶空間中。

IO多路轉接是多了一個select函式,多個行程的IO可以註冊到同一個select上,當用戶行程呼叫該selectselect會監聽所有註冊好的IO,如果所有被監聽的IO需要的資料都沒有準備好時,select呼叫行程會阻塞。當任意一個IO所需的資料準備好之後,select呼叫就會傳回,然後行程在通過recvfrom來進行資料拷貝。

這裡的IO復用模型,並沒有向內核註冊信號處理函式,所以,他並不是非阻塞的。行程在發出select後,要等到select監聽的所有IO操作中至少有一個需要的資料準備好,才會有傳回,並且也需要再次發送請求去進行檔案的拷貝。

這種方式的釣魚,通過增加魚竿的方式,可以有效的提升效率。

奧,我太聰明瞭。上面這幾種我都聽懂了。 




真的聽懂了麽,那我考考你:上面幾種哪個是異步的,哪個是同步的? 




這難不倒我的、信號驅動的是異步的,其他的都是同步的。 




錯錯錯,上面的所有的都是同步的。


為什麼以上四種都是同步的

我們說阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復用模型和信號驅動IO模型都是同步的IO模型。原因是因為,無論以上那種模型,真正的資料拷貝過程,都是同步進行的。

信號驅動難道不是異步的麽? 信號驅動,內核是在資料準備好之後通知行程,然後行程再通過recvfrom操作進行資料拷貝。我們可以認為資料準備階段是異步的,但是,資料拷貝操作是同步的。所以,整個IO過程也不能認為是異步的。

你呦把我繞懵了,你還是拿釣魚來說吧。 



好的。


我們把釣魚過程,可以拆分為兩個步驟:1、魚咬鉤(資料準備)。2、把魚釣起來放進魚簍里(資料拷貝)。無論以上提到的哪種釣魚方式,在第二步,都是需要人主動去做的,並不是魚竿自己完成的。所以,這個釣魚過程其實還是同步進行的。

這和燒水有啥區別,你不是告訴我安裝報警器的水壺是異步的嗎? 




同樣是報警器,燒水和釣魚的是兩回事。


燒水的報警器一響,整個燒水過程就完成了。水已經是開水了。 

釣魚的報警器一響,只能說明魚兒已經咬鉤了,但是還沒有真正的釣上來。

所以 ,使用帶有報警器的水壺燒水,燒水過程是異步的。

而使用帶有報警器的魚竿釣魚,釣魚的過程還是同步的。


這次我明白了,那有沒有真正異步的IO呢?




其實是有的。


異步IO模型

我們釣魚的時候,採用一種高科技釣魚竿,即全自動釣魚竿。可以自動感應魚上鉤,自動收竿,更厲害的可以自動把魚放進魚簍里。然後,通知我們魚已經釣到了,他就繼續去釣下一條魚去了。

映射到Linux操作系統中,這就是異步IO模型。應用行程把IO請求傳給內核後,完全由內核去操作檔案拷貝。內核完成相關操作後,會發信號告訴應用行程本次IO已經完成。

用戶行程發起aio_read操作之後,給內核傳遞描述符、緩衝區指標、緩衝區大小等,告訴內核當整個操作完成時,如何通知行程,然後就立刻去做其他事情了。當內核收到aio_read後,會立刻傳回,然後內核開始等待資料準備,資料準備好以後,直接把資料拷貝到用戶控制元件,然後再通知行程本次IO已經完成。

這種方式的釣魚,無疑是最省事兒的。啥都不需要管,只需要交給魚竿就可以了。

嗯,這次我明白了,原來這才叫異步的IO。




是的,以上就是Linux操作系統的5種IO模型啦。


5種IO模型對比


看來這個問題確實挺難的。這個小朋友沒回答上來也算可以理解了吧。 




這個問題看似複雜,但其實是看一個人是否真正理解IO的最好的問題了。


行行行,你說的都對。






介紹完這些之後,我默默的刪掉了之前寫好的那句面試評價『對Linux的基本IO模型理解不深』,改成了『對IO體系理解的不夠深入,只會使用封裝好的API』。


●編號586,輸入編號直達本文

●輸入m獲取文章目錄

推薦↓↓↓

 

運維

更多推薦18個技術類微信公眾號

涵蓋:程式人生、演算法與資料結構、黑客技術與網絡安全、大資料技術、前端開發、Java、Python、Web開發、安卓開發、iOS開發、C/C++、.NET、Linux、資料庫、運維等。

赞(0)

分享創造快樂