socket_IO模型

1 背景知识

1.1 用户空间和内核空间

比如32位系统，寻址空间是4G。内存分为用户空间和内核空间，内核空间仅供内核使用，用户空间给各个进程使用。os的核心是内核，只有内核可以访问被保护的内存空间。为了保证进程无法直接操作内核 ，在用户空间的进程无法访问内核空间。

系统调用函数运行于内核态，但是向用户态开放接口。

对于磁盘，网卡等设备，进程都无法直接访问，所以相关数据都用经过系统调用。

1.2 进程阻塞

正在执行的进程，由于期待的事件未发生，比如io操作未完成，新数据未到达，就由系统自动执行阻塞，由运行状态变为阻塞状态。所以，进程的阻塞是自身的自动行为，只有处于运行状态（获取cpu时间片）的进程才能转为阻塞状态。并且处于阻塞状态的进程不占用cpu。

1.3 文件描述符（句柄）

fd是指向具体文件的一个引用。

fd是一个非负整数。当进程打开一个新文件或者socket，系统就为该文件分配一个fd，用来标识这个文件，这个分配的数字从0开始。系统默认情况下，限制每个进程能打来的文件为1024。

1.4 标准io

在标准io机制中，在内核中有页缓冲（内核高速缓冲），在用户空间有流缓冲。

对于读操作，数据首先被读到页缓冲（当页缓冲中没有该数据），然后再拷贝到进程的内存地址。

对于写操作，数据先被写到流缓冲，然后将多次写操作一次性写到页缓冲（减少系统调用），页缓冲再将多次写操作一次性写到磁盘（提高磁盘io效率）

 

2  linux中的几种IO模型

网络io的本质是socket的读取。对于一次网络io请求，有两个阶段：

　　a 等待对端传递的数据就绪，就绪就拷贝到系统内核缓冲区，如果没有就绪就一直等待就绪。

　　b 将内核缓冲区中的数据拷贝到进程的地址空间中。

2.1 bio

 

阻塞io是最常用的socket模型，并且默认情况下，所有socket都是阻塞的。

首先，进程要请求网络数据时，使用recvfrom系统调用函数，然后系统调用从用户空间转移到内核空间运行。在内核空间等待对端数据报的到达，到达后内核空间的缓冲区后，把数据报拷贝到用户空间应用的缓冲地址。这个过程完成后，就返回获取成功给进程，进程没有延迟，开始处理数据报。

整个过程中，进程都是自我阻塞的，在等待数据就绪的过程中，进程只能等待，无法作其他事情。好处是数据一就绪，进程就马上可以进行下一步的处理。

2.2 nio

在非阻塞模型中，当系统调用发现内核空间中未准备好数据，则直接返回一个error。进程会周期性轮训，询问内核空间是否准备好好数据。在此期间，进程不会等待（就是非阻塞）。

相对于阻塞模型，非阻塞模型释放了进程，可以同时处理其他信息。但由于是周期性轮训，进程就不会在第一时间知道网路数据已准备好，所以增加了延迟。

但如果进程要处理多个socket，非阻塞模型总是比阻塞模型效率更高。

2.3 mio

 

就是用select、epoll、poll，将多个socket的文件描述符传给内核，让内核去监听它们是否就绪。

当用户进程调用 select，整个进程就被阻塞，当任何一个socket的数据在内核中 准备好了，select就会将可读条件返回。然后进程使用系统调用，将数据拷贝到用户空间（这一步就相当于bio）。

nio是进程主动去询问多个socket的数据在内核中是否准备好，而mio是采用select去实时监听多个socket在内核中的数据是否准备好。

 2.4 aio

进程使用aio_read函数将socket文件描述符，缓冲区指针、缓冲区大小和文件偏移传递给内核，并且告诉内核等数据准备好后直接传给aio_read中。

进程不阻塞，数据准备好后，不需要进程再通过系统调用去读。

2.5 比较

bio,nio,mio,在数据拷贝到用户空间这个阶段进程会被阻塞，属于同步模型。

aio在这个阶段进程不被阻塞