重谈IO——五种IO模型及其分类

五种IO模型及其分类

早在讲解HTTP的时候，我们就已经说过：
我们上网的本质，其实就是和对方主机进行数据交换，本质就是IO！

但是，我们之前对IO的理解还是比较简单的，几乎就仅限于是双方进行通信。本篇文章开始，将正式地重新理解IO这个概念，以及给出IO的多种模型！

重谈IO的原因——高效IO模式

首先，我们需要引入一个非常重要的概念， 可以说是我们后序理解模型的指导思想！

我们曾经做过一个实验：即让程序在指定时间内分别执行自增操作或者printf！

最终这个实验的结果就是：自增操作的次数是远远大于printf的操作的！
当时简单地输出了一个结论：IO是比较慢的。
Tips：这里的慢其实是相对于CPU来说的！

但是，我们只知道IO慢，但是没有搞清楚IO的本质是什么！即为什么IO会慢？

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不管是直接读写文件也好，还是网络通信，在Linux系统下都是以文件描述符fd来作为载体进行Input/Output的！
这必然会有一个问题：拿到fd了，就一定有数据读吗？就一定能向fd对应的文件写吗？

当然是不一定了：
比如从键盘(fd = 0)中读，如果我们始终不输入，或者不按下回车，那么系统根本读不到！
又或是网络通信的时候：
对方的接收缓冲区满了，这边就需要进行流量控制、或者是先不进行发送。
如果我方的写缓冲区满了，那也是没有办法往里面写的！

不管是文件的读写，还是网络通信来说，读写的本质是我们用户自行把内容读上来吗？
那肯定是不是：文件读写是把磁盘中文件的内容拷贝到用户缓冲区，网络通信的本质是操作系统自行选择合适的时机，把数据从一方的缓冲区传输到另一方的缓冲区。
👉这本质就是数据拷贝罢了

数据拷贝对于计算机来说是比较简单的事情，是很快的。
所以，真正导致IO慢的原因就是：IO需要等待条件就是，一个字——等！

read接口，它是用于Input的！过程：等待 + 拷贝
write接口，它是用于Output的！过程：等到 + 拷贝

所以，IO操作 = 等待 + 拷贝，IO的效率取决于等待！
👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇👇既然IO低效的原因是等待时间，所以，要想提高IO的效率，就得尽可能地减少等待的时间！

最后输出结论：
所谓高效的IO，其实就是单位时间内等待的时间小！也就是单位时间内等待时间的比重小！

五种IO模型及举例解释

有了上述的指导思想，后序我们学习五种IO模型的时候就比较轻松了。

接下来，我们将做两件事情：
1.引出五种IO模型(先不了解原理)
2.在了解五种IO模型之前，先举一个例子，进行通识的理解

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上面说到：IO比较慢的原因，也解释了什么是高效的IO。那么，后序介绍的IO模型，必然是有好有坏，并且从这几个方面来出发，进行模型分析！

首先就来看看，五种IO模型分别叫什么名字：

1.阻塞IO
2.非阻塞IO
3.信号驱动IO
4.多路转接、多路复用
5.异步IO

光看名字肯定是不太好理解的，下面我们先通过一个简单的例子来进行上述模型的解释！

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这里以钓鱼佬的例子来进行解释：

前景：现在有五个钓鱼佬：A、B、C、D、E，它们先后进入一个钓鱼场去钓鱼。

钓鱼佬的例子就放在下面这张图里面：

上述我们以一个简单的例子，简单地理解了一下上面提出的五种IO模型的概念！

解释不同模型细节

细节1：阻塞和非阻塞的区别
A和B就阻塞和非阻塞的区别。阻塞和非阻塞的原因都是因为等待条件是否就绪！
这里钓鱼的例子就是鱼是否上钩。

IO条件不具备，所以阻塞方式会进行阻塞等待。反之发现IO条件不具备，就会出错返回，等待下一次再来进行检查。但是，非阻塞IO真的就效率高吗？

注意我们这里谈论的是IO的效率！IO = 等待 + 拷贝！
而非阻塞IO所谓的效率高，是指IO的效率吗？

非阻塞的情况下：
IO条件不具备就出错返回了。也没有办法进行IO操作！
所以，所谓的高效，是偷换概念的！不是IO效率高，而是单位时间内做事效率高！=

细节2：谁的钓鱼效率最高——本质就是哪一种IO模型的效率最高
答案：当然是D的效率高！也就是多路转接/复用的效率最高！

其实这是很容易想到的。但是我们要知道，为什么这种方式效率高？
我们还是以钓鱼的例子作为理解：不是说鱼竿多，就是效率高的！

因为ABCDF五个人去钓鱼，一共104根鱼竿，其中有100根是D的！
那么站在鱼的视角来看：它咬到D的鱼竿的钩子的概率是100/104。
👉这就导致了D鱼竿上钩的概率很大 👉D在单位时间内就等的比重就会减少了！

而IO效率高的本质就是：单位时间内的等待的比重小！

细节3：对于C来说，他有没有参与钓鱼的过程呢？
那当然是有的！只不过他相对于其他人来说：他并不需要进行条件是否就绪的检测过程！
他通过收到一个信号来判定，从而处理鱼竿。
所以，C参与的是真正钓鱼这个部分。

细节4：同步IO和异步IO
其实同步IO和异步IO这两个概念一直是比较有争议的。包括一些教材，一些大佬的认识。
但是，这里我们以自己的视角来看：
我们就认为 👉 只要有参与到IO过程的，都是同步IO，反之异步IO！

所以，上述的阻塞、非阻塞、信号驱动、多路转接/复用，都是同步IO！

本质上，这里的钓鱼者，在系统层面上就是一个个的进程！
所以，异步IO是什么情况呢？

异步IO就是：参与IO的进程只发起IO和IO流，但是他不关心底层IO的实现！
也就是说IO和该进程工作流是无关的！他只需要等待另一个工作流把结果返回给它！

但是需要注意的是：
这里的IO同步和线程的同步，并不是一个概念！这里需要特别注意！

IO模型执行流

阻塞IO：

阻塞 IO: 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式
阻塞IO也是最常用，最简单的IO模式！

其实就是读写系统调用的时候 ，内核会先检查读写条件是否就绪！
如果没有就绪，就会进行阻塞等待(进程状态切换为s)。
如果条件就绪(比如外部硬件就绪发送硬件中断)，此时就会执行读写操作再返回成功指示。

非阻塞IO：

非阻塞 IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码.

其实就是读写系统调用多次的先进行询问条件是否就绪，如果未就绪就返回错误码。非阻塞IO 往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对 CPU 来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用。

其实轮询这个概念，我们在学习waitpid这个接口的时候就已经见过了！

信号驱动IO：

信号驱动 IO：内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作.

其实就是我们先进行捕捉信号，把对应的一种信号如SIGIO捕捉，自定义方法。
然后一旦IO条件准备就绪，就会接收到一个信号！

然后经过中断，由用户态切换到内核态，从而执行信号的处理方法。方法就是进行读写数据。
而信号返回来的时候，一定是IO条件就绪的！所以是一定能读写成功的。

这种方法其实用的比较少！虽然它看着不错，但是还是有些缺陷的。
比如信号的屏蔽：

后序也会有更好的办法能实现信号这种通知功能的！

IO多路转接，多路复用：

IO 多路转接:
从流程图上看起来和阻塞IO类似。实际上最核心在于IO多路转接能同等待多个文件描述符的就绪状态

我们通常用的一些系统调用：
read/recv/recvfrom write/send/sendto，这些接口功能是检测条件就绪 + 拷贝操作！

但是在IO多路转接的情况下：
有一些接口是可以专门做多个文件描述符fd的等待的！比如图中展示的select。
一旦有一个条件就绪，就告诉用户，然后进行IO读取。

IO多路转接也是最常用的一种方式！我们后续会重点学习的。这里先了解即可。

异步IO：

异步 IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)

其实就是通过类似于aio_read的接口，发起一个IO/IO流。让另一个执行流进行操作。
对于发起IO的进程来说，他就不再关心底层IO实现的等待、读取了。只关心最后得到的结果！

非阻塞IO的简单实现

我们曾经学过如何进行非阻塞式轮询的回收子进程。但是对于非阻塞的IO是不太理解的！
接下来我们将介绍一些方法，以及做一些实验理解如何实现非阻塞IO！

send/recv使用选项实现非阻塞

我们没有办法使用read/write，因为这两个默认是阻塞的！
但是我们在前面网络通信的实践中，使用过另外两个接口：send/recv。

send/recv和read/write是比较类似的，只不过多一个参数选项！

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

最后一个参数int flags就是用来进行选项控制的：

其中，选项种有一个叫MSG_DONTWAIT，就是非阻塞等待的选项！
使用这个后，send/recv就不会进行阻塞了！

open使用选项实现非阻塞

不过还有一种方式：

int open(const char *pathname, int flags);

打开文件的时候，也是可以传入选项的。
其中O_NONBLOCK or O_NDELAY就是表示，打开的文件不需要进行阻塞。

使用fcntl(推荐)

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

这个就是file control的意思。即控制文件！
如何控制？ -> 通过传入的cmd进行控制。

复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD）
获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD)
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL)
获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN)
获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW)

如果想要进行异步IO，我们需要这样做：

void SetNoBlock(int fd) {//1.先通过cmd(F_GETFL)获取到当前的同步/异步IO状态int fl = fcntl(fd, F_GETFL);//2.获取失败直接返回if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}//3.成功后，重新进行设置，使用F_SETFL进行设置//设置的方法就是把需要的选项按位或起来，open的选项操作也是这样的！fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

简单实验——阻塞和非阻塞

在了解了如何通过接口实现非阻塞IO的时候，我们就来做实验看看！

使用网络套接字来实现还是有点麻烦了。这里就简单地使用普通文件描述符做展示即可！

1.阻塞IO：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>//1.阻塞IOint main(){char buffer[1024] = {0};while(1){ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer)); //0就是stdin，即键盘if(n < 0){cout << "read error" << endl;exit(-1);}else{buffer[n] = 0;cout << buffer << endl;}}return 0;
}

这个阻塞IO很好实现，因为read本身就是默认阻塞的！

但是这里为什么打印出来的每次都要空一行呢？
因为我们是使用read系统调用！而不是语言库封装的一些读取函数！

read接口就是负责读取字节流的！所以，我们输入的字符中是有\r\n回车符的！
直接打印出来直接就被解析成空行了！但是语言库封装的函数会把这个忽略掉。

只需要把这个字符忽略掉即可，如上图所示！

2.非阻塞IO
很简单，直接拿刚刚展示的void SetNoBlock(int fd)进行设置非阻塞即可：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>//2.非阻塞IOvoid SetNoBlock(int fd) {//1.先通过cmd(F_GETFL)获取到当前的同步/异步IO状态int fl = fcntl(fd, F_GETFL);//2.获取失败直接返回if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}//3.成功后，重新进行设置，使用F_SETFL进行设置//设置的方法就是把需要的选项按位或起来，open的选项操作也是这样的！fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main(){//设置stdin非阻塞SetNoBlock(0);char buffer[1024] = {0};while(1){ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer)); //0就是stdin，即键盘if(n > 0){buffer[n - 1] = 0;cout << buffer << endl;}//按下ctrl + d，退出从标准输入的读取！else if(n == 0){break;}// n < 0else{//这里需要说的是：n < 0，一定代表读取出错吗？//如果在阻塞那里肯定是了！//但是现在时非阻塞！ -> 有两种可能不是出错的： // 1.条件未就绪// 2.因为信号而退出读写//怎么判断？//我们可以发现，read返回值中，如果是出错了，会设置错误码到errno中！//所以我们通过查看错误码就知道是什么情况了！//1.条件未就绪：if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK){cout << "条件未就绪！" << endl;sleep(1);continue;}//2.被信号中断了else if(errno == EINTR){sleep(1);continue;}else{//这是真正的出错！ 直接退出exit(-1);}}//这里打印一下 -> 如果说是非阻塞，这里是始终被打印的！cout << "非阻塞的打印" << endl;}return 0;
}

有一些细节直接写在代码注释上了，我们直接上结果：

至此，我们就实现了非阻塞IO的实现！