Linux网络-高级IO

• 零、前言
• 一、什么是IO
• 二、五种IO模型
• 1、阻塞IO
• 2、非阻塞IO
• 3、信号驱动IO
• 4、IO多路转接
• 5、异步IO
• 三、高级IO重要概念
• 1、同步通信 vs 异步通信
• 2、阻塞 vs 非阻塞
• 3、其他高级IO

零、前言

本章主要就Linux网络讲解非常重要的一个话题-高级IO

一、什么是IO

IO是输入input输出output的首字母缩写形式，直观意思是计算机输入输出，它描述的是计算机的数据流动的过程，因此IO第一大特征是有数据的流动

• 从直观层面去理解IO：

IO是计算机和外设之间的数据流动过程，外设包含两种重要设备（但不限于此）：输入设备和输出设备。像鼠标键盘属于输入设备，将人的指令转成“鼠键行为”这种数据传给主机；显示器是输出设备，主机通过运算，把“返回信息”这种数据传给显示器

• 从计算机架构的角度去理解IO：

从计算机架构上来讲，任何涉及到计算机核心（CPU和内存）与其他设备间的数据转移的过程就是IO。本体就是计算机核心（CPU和内存）。例如从硬盘上读取数据到内存，是一次输入，将内存中的数据写入到硬盘就产生了输出

• 从编程的角度去理解IO：

IO的主体是其应用程序的运行态，即进程，特别强调的是我们的应用程序其实并不存在实质的IO过程，真正的IO过程是操作系统的事情，这里把应用程序的IO操作分为两种动作：IO调用和IO执行，IO调用什么是应用程序对操作系统IO功能的一次触发，IO执行是操作系统的工作 IO调用的目的是将进程的内部数据迁移到外部即输出，或将外部数据迁移到进程内部即输入。这里，外部数据指非进程空间数据，在编程时，通常讨论的场景是来自外部存储设备的数据，如硬盘、CD-ROM、以及需要socket通信传输的网络数据

• 以一个进程的输入类型的IO调用为例，它将完成或引起如下工作内容：

1. 进程向操作系统请求外部数据
2. 操作系统将外部数据加载到内核缓冲区
3. 操作系统将数据从内核缓冲区拷贝到进程缓冲区
4. 进程读取数据继续后面的工作

二、五种IO模型

1、阻塞IO

• 概念及介绍：

1. 在进行IO读写时，系统调用会一直进行等待(不做其他的)，直到内核将数据准备好，得到数据后才调用返回
2. 阻塞IO是最常见的IO模型，所有的套接字函数调用默认都是阻塞方式

• 举例：

钓鱼时，一个人一条杆子，一动不动看着浮漂的动静，看是否有鱼上钩

• 示图：

2、非阻塞IO

• 概念及介绍：

1. 如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码
2. 非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符(查看数据是否准备好了)，这个过程称为轮询，这对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用
3. 调用返回错误码时，说明此时数据没有准备好，那么就可以选择做一些其他的事情(非阻塞)，过一段时间后再次进行访问查看数据是否准备好(轮询)

• 举例：

钓鱼时，一个人一条杆子，一会看着浮漂，没动静时就刷一会手机，隔段时间再看浮漂的动静

• 示图：

3、信号驱动IO

• 概念及介绍：

1. 信号驱动IO模型并不主动去内核是否将数据准备好，这是并不高效的IO方式
2. 它赋予关注的事件一套处理机制，在内核将数据准备好的时候，内核主动使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

• 举例：

钓鱼时，一个人一条杆子，在杆子上挂一个铃铛，当铃铛响的时候则说明有鱼上够了需要进行处理，没响的时候可以忙其他的事情

• 示图：

4、IO多路转接

• 概念及介绍：

1. 从流程图上看起来和阻塞IO类似，阻塞式等待数据准备就绪，得到数据结果后返回
2. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态

• 举例：

钓鱼时，一个人多条杆子，关注多条杆子的状态，当有一条杆子有动静时则可以进行相应的处理

• 示图：

5、异步IO

• 概念及介绍：

1. 上述的四种IO模型都是同步IO，和异步IO最大的差别就是看是否需要主动参与到IO读写中去
2. 异步IO由内核在数据拷贝完成时，再通知应用程序(而信号驱动IO是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)

• 举例：

钓鱼时，老板雇了一个人，给了他一条杆子，当鱼桶装满时，雇佣的人再通知老板

• 示图：

三、高级IO重要概念

1、同步通信 vs 异步通信

1. 同步和异步关注的是消息通信机制
2. 同步就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回；但是一旦调用返回，就得到返回值了；换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果
3. 异步则是相反， 调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果；换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果；而是在调用发出后， 被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用

注：进程多线程中的同步和互斥与这里的同步通信是完全不同的概念

• 进程/线程同步：

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系，尤其是在访问临界资源的时候

2、阻塞 vs 非阻塞

1. 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态
2. 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回
3. 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

3、其他高级IO

非阻塞IO，纪录锁，系统V流机制， I/O多路转接（也叫I/O多路复用） ,readv和writev函数以及存储映射IO（mmap），这些统称为高级IO