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簡單說一下阻塞IO、非阻塞IO、IO復用的區別?

Linux愛好者 ? 來源:Linux愛好者 ? 2024-03-04 15:14 ? 次閱讀

前言

在《Unix網絡編程》一書中提到了五種IO模型,分別是:阻塞IO、非阻塞IO、IO復用、信號驅動IO以及異步IO。本篇文章主要介紹IO的基本概念以及阻塞IO、非阻塞IO、IO復用三種模型,供大家參考學習。

一、什么是IO

計算機視角理解IO:

對于計算機而言,任何涉及到計算機核心(CPU和內存)與其他設備間的數據轉移的過程就是IO。IO對于計算機而言有兩層意思:

IO 設備:比如我們最常見的打印機、鼠標、鍵盤。

對IO設備的數據讀寫。

程序視角理解IO:

現代操作系統將空間劃分為用戶空間和內核空間。

用戶空間:非內核應用程序則運行在用戶空間。用戶空間中的代碼運行在較低的特權級別上,不能直接訪問內核空間和硬件設備。

內核空間:操作系統的核心,是操作系統工作的基礎,它負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統,決定著系統的性能和穩定性。

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操作系統為了能夠正常平穩地運行下去,它是不會允許應用程序隨意訪問計算機硬件部分,如內存、硬盤、網卡,應用程序必須通過操作系統提供的API來訪問,以達到安全的訪問控制。

總結:IO對于應用程序而言,強調的是通過向內核發起系統調用完成對I/O的間接訪問。

應用程序發起一次IO訪問分為兩個階段:

IO調用階段:應用程序向內核發起系統調用。

IO執行階段:內核執行IO操作并返回。

數據準備階段:內核等待IO設備準備好數據

數據拷貝階段:將數據從內核緩沖區拷貝到用戶空間緩沖區

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二、阻塞IO模型

阻塞I/O模型是最常見的IO模型,其流程圖如下所示。

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應用程序發起一個系統調用(recvform),這個時候應用程序會一直阻塞下去,直到內核把數據準備好,并將其從內核復制到用戶空間,復制完成后返回成功提示,這個時候應用程序才會繼續處理數據。

優點:模型簡單,實現難度低,適用于并發量較小的應用開發。

缺點:IO調用階段和IO執行階段都會阻塞。

典型的阻塞I/0模型的例子為data=socket.read(),如果內核數據沒有準備就緒,Socket線程就會一直阻塞在read()中等待內核數據就緒。

生活場景:某天,你跟你女朋友去奶茶店買奶茶,點完奶茶后后,由于你們不知道奶茶什么時候才能做好,所以你們就只能一直等著,其他什么事情也不能干。

三、非阻塞 IO模型

在非阻塞IO模型中,應用進程需要不斷詢問內核數據是否就緒,在內核數據還未就緒時,應用進程還可以做其他事情。

56b53cfa-d9de-11ee-a297-92fbcf53809c.png

從上圖可以看出, 非阻塞IO模型需要應用進程不斷地主動詢問內核數據是否已準備好了。

優點:模型簡單,實現難度低;與阻塞IO模型對比,它在等待數據報的過程中,進程并沒有阻塞,它可以做其他的事情。

缺點:輪詢發送 recvform,消耗CPU 資源。

生活場景:你和你女朋友去奶茶店買奶茶,吸取了上一次的教訓,點完奶茶后順便去逛了逛商場。由于你們擔心會錯過取餐,所以你們就每隔一段時間就來問下服務員,你們的奶茶做好了沒有,來來回回好多回,若干次后,終于問到奶茶已經準備好了,然后你們就開心的喝了起來。

四、IO復用模型

非阻塞IO模型需要進程不斷地輪詢發起recvform系統調用,就會有很多的線程不斷調用recvfrom 請求數據,先不說服務器能不能扛得住這么多線程,就算扛得住那么很明顯這種方式是不是太浪費資源了,線程是我們操作系統的寶貴資源,大量的線程用來去讀取數據了,那么就意味著能做其它事情的線程就會少。

例如:你是奶茶店的服務員,每個人點好奶茶后,每隔幾分鐘就來問你一次好了沒有,隨著問的人越來越多,你可能會開始懷疑人生。那么有沒有什么好的解決辦法呢?

答案:不需要所有進程輪詢來發起recvform來查詢數據是否已經準備好了,而是有人幫忙來詢問,這個幫忙的人就是select。

IO復用模型如下所示:

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多個進程的IO注冊到一個復用器(select)上,select 會監聽所有注冊進來的IO。如果內核的數據報沒有準備好,調用select 的進程將會被阻塞,而當任一IO在內核緩沖區中有數據,select調用就會返回可讀條件,然后進程再進行recvform系統調用,內核將數據拷貝到用戶空間,注意這個過程是阻塞的。

注意:IO 復用模型在第一個階段和第二個階段其實都有阻塞,第一個階段阻塞于 select 調用,第二個階段阻塞于數據復制。

優點:適用于高并發應用程序。

缺點:模型復雜,實現、開發難度較大。

生活場景:如果每個人都過一會就來問一下奶茶好了沒有,奶茶店的壓力也太大了。于是奶茶店想到了一個辦法,找一個中間人(select)擋在奶茶店前面,顧客(應用進程)詢問那個中間人奶茶好了沒有(對應多個進程的IO注冊到一個復用器(select)上),如果沒有好就讓顧客等待(應用進程阻塞于 select 調用)。中間人持續查看顧客的奶茶是否準備好,如果有一個人的奶茶準備好了就會去通知那個人可以取了(而當任一IO在內核緩沖區中有數據,select調用就會返回可讀條件,然后進程再進行recvform系統調用)。

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總結

學習IO模型時,必須要把每個模型聯系起來看,比如阻塞IO模型會阻塞較長時間,而非阻塞IO在等待數據報的過程中,進程并沒有阻塞,它可以做其他的事情。IO復用模型可以很好的降低服務器的壓力,且在連接數眾多且消息體不大的情況下有很大的優勢。


審核編輯:劉清

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原文標題:面試官:簡單說一下阻塞IO、非阻塞IO、IO復用的區別 ?

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