【Linux】五种IO模型

什么是IO？

IO就是输入和输出，在冯诺依曼体系结构中，当数据从输入设备拷贝到内存就叫做输入，将数据从内存拷贝到输出设备就是输出

对文件的读写操作本质就是一种IO，文件IO对应的外设就是磁盘

对网络进行的读写操作本质也是一种IO，网络IO对应的外设就是网卡

操作系统如何得知有数据可读取？

输入就是操作系统把数据从外设拷贝进内存的过程，操作系统一定通过某种方法得知特定外设上是否有数据就绪

并不是操作系统要读取时，外设一定有数据

操作系统不会主动去检测外设上是否有数据就绪，这种做法会降低操作系统的效率，因为大部分时间外设是没有数据的，影响操作系统的正常工作

操作系统内部采用中断的方式来进行与外设交互，当外设有数据到来时，该外设就会向CPU中的中断控制器发送中断信号，中断控制器再根据产生的中断信号的优先级按顺序发送给CPU

每一个中断信号都设有特定的中断处理程序-——》中断向量表，当CPU收到某个中断信号就会自动停止正在运行的程序，然后执行对应的中断程序，处理完毕再返回被暂停的程序继续执行

虽然外设数据不可以直接与CPU打交道，但是外设可以通过某种方式把控制信号发送给CPU

操作系统如何从网卡中读取数据包？

操作系统每时每刻都可能有大量的数据包要接收，因此操作系统必须把这些数据包管理起来，通过结构体的方式，每一个数据包就是一个结构体类型

当操作系统从网卡中读取到一个数据包后，会把该数据依次交给数据链路层，网络层，传输层，应用层进行解包处理，最后交给用户，这里所谓的解包其实是指针的移动

什么是高效的IO？

IO主要分两步

第一步是等，等待IO条件就绪

第二步是拷贝，就绪后把数据拷贝到内存或者外设

任何的IO都涉及到等和拷贝的过程，而实际情况中等的时间远远大于拷贝的时间，所以要尽量减少等的时间，才是高效IO（减少等）

五种IO模型举例说明

钓鱼5人组

张三：钓鱼，一直等着，什么也不做，只等鱼上钩

李四：鱼竿抛入水中就不管了，定期查看一下有没有鱼上钩，有则钓上来，没有则做其他事情

王五：鱼竿上绑了一个铃铛，鱼竿抛入水中就不管了，有鱼上钩铃铛响了再回来钓上来

赵六：拿了100个鱼竿，把100个鱼竿同时抛入水中，观察所有的鱼竿，有鱼上钩就钓上来，没有则继续观察

田七：田七雇了一个人，让他去钓鱼，钓完鱼给他就行

这就是五种IO模型，他们的效率有什么不同吗？这里说的效率是IO互相流动的效率

本质上，张三 李四 王五的效率都是一样的，他们等的方式不同，但是鱼上钩的几率一样，等的时间一样

赵六则不同，鱼上钩的几率是他们三个的100倍

高效的IO是减少等的时间，增加拷贝的时间，所以赵六的效率是最高的

田七呢?

田七属于异步IO，交给其他人去做

张三：阻塞IO 一直等待就绪

李四：非阻塞IO 定时检测

王五：信号驱动IO 通知就绪

赵六：多路复用IO 同时等待多个就绪

田七：异步IO 交给其他人去做

这里我们可以了解到，前4种 阻塞 非阻塞 信号驱动 是无法提高IO的效率的，但是非阻塞和信号驱动能提升整体做事的效率，因为等的同时可能做其他事情

阻塞IO--》等待就绪，否则卡住

                比如read读取时，没数据阻塞

  

非阻塞IO--》不等待就绪

                设置read非阻塞，轮询读取

信号驱动IO--》好了通知拿数据

                捕捉信号，设置处理函数read，好了再read

多路复用IO--》同时等待多个

                select \ poll \ epoll 三种方式实现

异步IO--》交给别人做

                通过一些特定IO接口实现，内核帮忙处理

高级IO重要概念

同步 / 异步

同步和异步就是消息通信机制的方式

所谓的同步就是调用者需要主动等待调用的结果

所谓的异步则是调用者调用后直接返回，无需关注调用结果，结果完成通知调用者即可

阻塞IO的实现：

此时没有数据read阻塞

非阻塞IO的实现：

先通过接口设置文件描述符为非阻塞，没有就绪则返回 轮询查询

再通过read读取，此时read读取没有数据则直接返回，继续下一步操作等待下次循环