高性能服务器框架--I/O模型

高性能服务器框架--I/O模型

socket在创建的时候默认是阻塞的。我们可以通过socket系统调用的第二个参数传递SOCK_NONBLOCK标志，或者通过fcntl系统调用的F_SETFL命令，将其设置为非阻塞的。阻塞和非阻塞的概念能应用与所有文件描述符，不仅仅是socket,我们称阻塞的文件描述符为阻塞I/O,非阻塞的文件描述符为非阻塞I/O.

针对阻塞I/O执行的系统调用可能因为无法立即完成而被操作系统挂起，直到等待的事件发生为止。比如，客户端通过connect向服务器发起连接时，connect将首先发送同步报文段给服务器，然后等待服务器返回确认报文段，如果服务器的确认报文段没有立即到达客户端，则connect调用将被挂起，直到客户端收到确认报文段并唤醒connect调用，socket的基础API中，可能被阻塞的系统调用包括acept send rev connect.

针对非阻塞I/O执行的系统调用则总是立即返回，而不管事件是否已经发生，如果事件没有立即发生，这些系统调用就返回-1，和出错的情况一样，此时我们必须根据errno来分情况，对accept send recv而言，事件未发生时errno通常被设置成EAGAIN或者EWOULDBLOCK（意思为期望阻塞），对于connect，errno则被设置为EINPROGRESS(意思为正在处理中)。

很显然，我们只有在事件已经发生的情况下操作非阻塞i/o(读写等)，才能提高程序的效率，因此，非阻塞I/O通常要和其他I/O通知机制一起使用，比如I/O复用和SIGIO信号。

I/O复用是最常用两个的I/O通知机制，他指的是，应用程序通过I/O复用函数想内核注册一组事件，内核通过I/O复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序，Linux上常用的I/O复用函数是select、poll epoll_wait。需要明白的是，I/O复函数本身是阻塞的，他们能提高程序效率的原因在于他们具有同时监听多个I/O事件的能力。

SIGIO信号也可以用来报告I/O事件。当目标文件 描述符上有事件发生时，SIGIO信号的信号处理函数将被触发，我们也就可以在该信号处理函数中对目标文件描述II符执行非阻塞I/O操作了。

从理论上说，阻塞I/O I/O复用和信号驱动I/O都是同步I/O模型，因为在这三种I/O模型中，I/O读写操作，都是在I/O事件发生之后，由应用程序完成的，在POSIX规范所定义的异步I/O模型则不同。对于异步I/O而言，用户可以直接对I/O执行读写操作，这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置，以及I./O操作完成之 后内核通知应用程序的方式。异步I/O的读写总是立即返回，而不论I/O是否阻塞，因为真正的读写操作已经由内核接管，也就是说，同步I/O模型要求用户代码自行执行I/O操作（将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区，或将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区），而异步I/O机制则由内核来执行I/O操作（数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的移动是由内核在“后台”完成的）。你可以这么认为，同步I/O向应用程序通知的是I/O就绪事件，异步I/O想应用程序通知的是I/O完成事件。linux环境下，aio.h头文件中定义了函数提供了异步I/O支持。

总结

I/O模型                                      读写操作和阻塞阶段

阻塞I/O                                      程序阻塞与读写操作

I/O复用                                      程序阻塞于I/O复用系统调用，但可同时监听多个I/O事件，对I/O本身读写操作是非阻塞的

SIGIO信号                                信号触发读写就绪事件，用户程序执行读写操作，程序没有阻塞阶段

异步I/O                                      内核执行读写并触发读写完成事件，程序没有阻塞阶段

同时,在并发模型中也有同步/异步的方式，但是和这里的概念不同。

在I/O模型中，同步和异步区分的是内核向应用程序通知的是何种I/O事件（是就绪事件还是完成事件），以及该由谁来完成I/O读写（是应用程序还是内核），在并发模型中，同步指的是程序完全按照代码序列的顺序执行，异步值得是程序执行需要由系统事件来驱动，常见的系统事件包括中断，信号等。

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