浅析I/O模型

1.概念说明

在进行I/O模型解释之前，首先要说明几个概念：

• 用户空间和内核空间
• 进程切换
• 进程的阻塞
• 文件描述符
• 缓存 I/O

用户空间与内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

进程切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。这个过程比较耗费资源。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

1. 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
4. 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
5. 更新内存管理的数据结构。
6. 恢复处理机上下文。

进程的阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

文件描述符fd

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。Linux的内核将所有的外部设备都看作是一个文件来操作。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

缓存 I/O
缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

缓存 I/O 的缺点：
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

2. I/O模型

网络IO操作实际过程涉及到内核和调用这个IO操作的进程。以read为例，read的具体操作分为以下两个部分:

1. 内核等待数据可读
2. 将内核读到的数据拷贝到进程中

linux系统产生了下面四种常见的网络模型：

• 同步阻塞I/O（Synchrohous, blocking I/O）
• 同步非阻塞I/O（Synchrohous, non-blocking I/O）
• I/O多路复用（I/O Multiplexing），较为典型的实现有select和epoll模型
• 异步I/O（Asynchronous I/O）

这里的同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

这里的阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

注：内核程序运行再在核态并使用内核空间的内存，例如内核提供的部分API，内核程序，硬件驱动等。相应的权限要求较低的用户程序运行在用户态使用用户空间的内存。

2.1 Blocking I/O

对于一个从socket读取数据的操作，通常将其分为两个阶段：

• 等待远程数据就绪。网卡会将数据报文传给协议栈，封装处理之后拷贝到内核缓冲区中
• 将数据从内核缓冲区拷贝到进程中

进行recvfrom系统调用（读取数据）以后，调用者进程会被阻塞，直到内核接收到数据并拷贝到进程中才返回。进行recvfrom系统调用后，内核首先会等待数据就绪，这通常需要一段时间。当数据就绪并到达内核缓冲区后，内核就会将数据拷贝至用户内存空间，并且返回结果，此时调用者进程才会解除阻塞状态，恢复执行。Blocking I/O不会浪费CPU时间片，但是只能处理一个连接。

blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了

2.2 Non-blocking I/O

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

2.3 I/O multiplexing

I/O多路复用(multiplexing)是网络编程中最常用的模型，像我们最常用的select、epoll都属于这种模型。以select为例：

看起来它与blocking I/O很相似，两个阶段都阻塞。但它与blocking I/O的一个重要区别就是它可以等待多个文件描述符就绪，即可以处理多个连接。这里的select相当于一个“代理”，调用select以后进程会被select阻塞，这时候在内核空间内select会监听指定的的多个文件描述符(如socket连接)，如果其中任意一个数据就绪了就返回。此时程序再进行数据读取操作，将数据拷贝至当前进程内。由于select可以监听多个socket，我们可以用它来处理多个连接。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被**的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

当然select也有一些缺点，比如底层轮询机制会增加开销、支持的文件描述符数量过少等。为此，Linux引入了epoll作为select的改进版本

2.4 异步IO模型

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

异步I/O在网络编程中几乎用不到，在File I/O中可能会用到。

3. Java中IO模型

Java原生的Network I/O模型分为以下几种：

BIO(如ServerSocket)
NIO(JDK 1.4引入，如ServerSocketChannel)
NIO.2(AIO, JDK 1.7引入，如AsynchronousServerSocketChannel)
其中BIO对应传统的同步阻塞I/O，而NIO对应I/O多路复用，NIO.2则对应异步IO模型（依然是基于I/O多路复用，和POSIX的asynchronous I/O模型不同）。在Linux下，NIO和NIO.2底层都是通过epoll实现的。

Netty的I/O模型也类似，分为OIO和NIO两种。

4. 总结

blocking和non-blocking的区别
调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

synchronous IO和asynchronous IO的区别
在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：

• A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
• An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。

有人会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。

而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

通过上面的图片，可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。