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Linux : I/O 模型

news 2025/10/30 13:46:42

文章目录

1. 五种I/O模型
2. I/O本质
3. 同步/异步通信

1. 五种I/O模型

Linux中，有五种常见的I/O模型：阻塞I/O，非阻塞I/O，IO多路转接，信号驱动IO，异步IO。

阻塞I/O：
阻塞I/O就是一直等待系统内核中相关读写条件就绪时，再正常读写，并返回。阻塞IO是网络套接字通信中，最常见的I/O方式。

非阻塞I/O：
与阻塞I/O相反，不等待系统内核中相关读写条件就绪，即如果读写条件不满足，也直接返回。由于非阻塞I/O的处理逻辑，在该模式下，如果想要正常读写数据，需要在用户层额外维护轮询逻辑。

信号驱动I/O：
信号驱动I/O本质是不直接进行I/O读写，而是借由信号驱动，即进行一系列设置，使得系统内核在相关文件描述符fd的读写条件就绪时发送SIGIO信号，用户层通过设置信号处理函数，进入信号处理逻辑，然后在信号处理逻辑中，使用write/read进行读写。

I/O多路转接：
I/O多路转接本质上类似于阻塞I/O，但是它与阻塞I/O的不同点在于：阻塞I/O的等待是等一个文件描述符的相关读写条件就绪，而多路转接是等多个文件描述符的相关读写条件就绪，而只要其中一个文件描述符相关读写条件就绪，多路转接I/O就可以返回，不用再等。

异步I/O：
解释异步I/O之前，先要明白什么是同步I/O。
上述所介绍的四种I/O模型，本质都是同步I/O。简单来说，只要在用户层实际参与了相关I/O逻辑，那么就是同步I/O。

相反地，如果在用户层没有参与任何实际I/O逻辑，而是直接将相关I/O逻辑全权交给内核处理，那么这就是异步I/O。

Linux中的异步I/O，本质就是通过aio_read系统调用，将相关fd的I/O处理全部交给系统内核完成。而系统内核完成相关I/O处理后(等待读写条件就绪+实际读写行为)，通过信号通知用户，进入用户的相关信号处理逻辑，如果以读数据为例，此时用户不需要再调用read,因为内核已经read过了，只需要拿到相应缓冲区，直接在用户层进行数据处理即可——这也是异步I/O和信号驱动I/O的最大区别。

2. I/O本质

I/O的本质是什么？

通过上述五种模型的介绍，我们可以清晰认识到I/O的本质就是：等+拷贝。

等就是等待读写条件就绪的过程，拷贝就是实际读写的过程，实际的读写不就是将数据从用户层拷贝到内核中，或者从内核中拷贝用户层吗？

因此，我们如果分析I/O的效率，不考虑其它消耗，仅就I/O本身而言进行考虑，就是考虑等 + 拷贝这个过程的效率。

实际上，大部分I/O的时间消耗都在等上面，拷贝的时间消耗占比是较小的，而且拷贝的过程是必须进行的，难以优化。

所以，在这种情况下，优化I/O时间，本质就是如何优化等的时间。而实际上，等的时间本质也是固定的，数据要5s之后才会到来，那么就得等到5s之后，因此关键在于如何复用“等”的时间。如果能够复用“等”的时间，本质上还是等了相应时间才能处理相关数据，但是复用“等”的时间，程序完成了其它任务，进而提高了整个程序的效率，于是可以理解成变相提高了I/O效率。

上述I/O模型中，非阻塞I/O,信号驱动I/O，多路转接I/O，异步I/O，本质都是通过复用“等”的时间，进而变相提高I/O效率的。