unix 下5种io模型

文章从我的个人博客备份而来
unix下有5种可用的io模型，它们分别是：

• 阻塞io
• 非阻塞io
• io复用
• 信号式驱动io
• 以及异步io

阻塞式io模型

一般来说，我们平时编程使用的最多的，就是阻塞式io模型。
举个例子，比如说我们有一个函数

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

这个时候我们调用这个函数

gethostbyname("www.google.cn")

进程会一直阻塞，直到调用完成，或者调用失败。

阻塞式io.jpg

非阻塞式io

在类unix操作系统下，我们有：

fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

这里的fd可以是文件描述符，也可以是套接字描述符。
假设我们调用了

recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)

如果是服务端接收客户端的信息，假如客户端的数据没有准备好，服务端并不会被阻塞，而是会发起轮询。

轮询.jpg

但是假如我们有多个客户端，都设为非阻塞式，那么我们会对多个客户端都发起轮询。这样非常的消耗资源。在某些特定的情况，我们会使用非阻塞式的模型

io复用模型

这里使用常见的select()来介绍：

复用io.jpg

进程阻塞于select()调用，当条件准备好的时候，我们调用recv().
和阻塞式io比起来，这好像没什么区别，还多了一次select()调用。对于单个套接字来说，确实是这样。但是对于多个套接字来说效率会大大的提高。
假设我们有fd[0], fd[1], fd[2], .... fd[n] (n < 1024)
如果我们采用阻塞式io的话，这时我们遍历 fd数组，而在这个数组中fd[3]是准备好的，而fd[0], fd[1], fd[2]都没有准备好。我们会一直阻塞到直到fd[0],fd[1],fd[2]都准备好才会使用recv接收fd[3]的数据。
假如我们使用select(),遍历过fd数组以后确认fd[3]是准备好的则会先执行fd[3]。

下面是一段复用的示例程序

fd_set readset;
int i, n;
char buf[1024];

while (i_still_want_to_read()) {
    int maxfd = -1;
    FD_ZERO(&readset);

    for (i=0; i < n_sockets; ++i) {
         if (fd[i]>maxfd) maxfd = fd[i];
         FD_SET(fd[i], &readset);
    }

    select(maxfd+1, &readset, NULL, NULL, NULL);

    for (i=0; i < n_sockets; ++i) {
        if (FD_ISSET(fd[i], &readset)) {
            n = recv(fd[i], buf, sizeof(buf), 0);
            if (n == 0) {
                handle_close(fd[i]);
            } else if (n < 0) {
                if (errno == EAGAIN)
                else
                     handle_error(fd[i], errno);
             } else {
                handle_input(fd[i], buf, n);
             }
        }
    }
}

但是select有许多缺点，比如说它每次扫描都是线性扫描，当描述符变得很多以后，他的效率会非常的低。而且单个进程打开的fd数量是有限制的，默认是1024.而另一个unix提供的poll()函数同样也会随着套接字的增加效率降低。
在Linux2.6内核以后提供了epoll(),而freebsd也提供了kqueue。相比起poll(),select(),他们更加的优秀。

信号式驱动

假设我们还是服务器接收客户端的数据，信号式驱动是客户端先发送一个信号表示数据已经准备好，可以发送。这种方法的优势在于等待期间我们的进程不会被阻塞。

异步io模型

还是我们调用一个函数，异步io在执行时进程并不会被阻塞，而在执行完成之时，会传递一个信号来告知执行完成。

最后用一张图来看看5中io的区别

5种io模型.jpg