浅析Linux IO技术体系课件.pdf

浅析 Linux IO技术体系 1 基本概念 IO操作是程序设计里的一个重头戏 ，尤其是 Linux中 ，管道、网络等设备都看成了文件描述符 ，因此IO对于Linux程序设计更加重 要。近年来 ，随着Nginx、lighttpd等新型高性能web服务器的广泛使用 ，其内部采用的epoll、异步IO等IO模型逐渐走入了人们的视野。 本文将探究Linux各个IO模型的来龙去脉、基于原理与相互之间的联系 ，并进行IO效率与性能的简要分析 ，解决人们对于Linux IO众多概 念、模型的理解混乱与误解 ，理顺出一个清晰的技术体系。 介绍Linux IO模型之前 ，需要先介绍两个对于论述IO模型非常重要的概念。 1.1 阻塞IO与非阻塞IO 所谓IO的阻塞与非阻塞 ，是指当进行IO操作时 ，需要的资源不可用 ，这时程序的表现。阻塞IO将让程序处于等待状态 ，指导需要的资源可 用 ；而非阻塞IO将直接返回 ，不等需要的资源可用。 比如通过read函数从一个网络socket中读取数据 ，对于阻塞IO来说 ，如果网络中没有数据 ，则read函数将一直阻塞直到有数据可 用 ，程序阻塞期间CPU将把时间片调度给其他进程 ；如果处于非阻塞IO模式 ，read函数将直接返回一个错误码 ，不会等待。 Linux支持将文件描述符设置为NOBOLCK支持IO的非阻塞模式。 1.2 同步IO与异步IO IO的同步异步与IO的阻塞非阻塞这两种概念很容易混淆 ，实际上这两种概念的定义并不相似。同步IO是指发出IO操作后 ，后面的操 作不能进行 ，要么等待IO操作完成 ，要么放弃IO操作 ，总之后面的操作和当前的IO操作只能有一个 进行 ；异步IO是指发出IO操作后 ，马 上返回而继续执行后面的操作 ，而IO操作也 此时刻执行。 从以上的概念可以看出 ，同步与异步、阻塞与非阻塞这两种概念关注点不同 ，没有半毛钱关系。实现IO和其他任务的异步操作并难 ， 开启两个线程 ，一个进行IO操作 ，另一个线程继续进行后面的任务处理就行了 ，至于进行IO操作的线程既可以使用阻塞IO ，也可以使用非 阻塞IO。 而同步IO就更简单了 ，一般单个线程下的普通阻塞IO或者非阻塞IO都是同步的 ，因为IO操作和其他任务无法同时进行 ，要么想阻 塞IO那样 ，一直等待进行IO操作而不管后面的任务操作 ，要么想非阻塞IO那样 资源不可用时不管IO操作 ，直接 返回 ，进行后面的业务 操作。 需要指出的是 ，本文介绍的异步IO并不是采用多线程或者多进程那样简单的实现 ，而是 单线程内实现IO操作和其他任务的异步执 行 ，这需要Linux操作系统内核的支持 ，而且效率更高。 2 Linux IO模型分析 2.1 普通阻塞IO （普通青年 选择 ） 普通阻塞IO是最基础最简单 ，也是使用最广泛的一种IO编程模型 ，菜鸟程序员 提高之前必须熟练掌握。 这种编程模型的详细流程如下图所示 ，各种IO操作 ，比如socket accept、read、write等 ， 资源不可用时 ， 此模型下都处于等待 状态 ，让出CPU资源给其他进程。 利用普通阻塞IO模型实现对多个文件描述符进行IO操作时 ，或者实现异步操作时 ，只能使用多线程方式 ，从而增加了线程切换方面 的开销 ， 后面对各个IO模型性能的分析中将详细比较多线程阻塞IO和多路IO复用的性能差异。 2.2 普通非阻塞IO （2B青年 选择 ） 普通非阻塞IO模型与阻塞模型的区别只是当IO操作遇到资源不可用时 ，非阻塞IO不会等待 ，而直接返回。普通非阻塞IO模型是实现 多路复用技术和异步IO技术的重要基础 ，但是单独使用非阻塞IO则是一种效率极低的行为。比如当进行read操作时没有可读数据 ，因为不 等待直接返回 ，所以不得不自己编写while循环 ，一遍遍的进行非阻塞的read操作 ，也就是轮询。这时程序一直处 运行状态 ，因此不会 让出CPU ，但是轮询实际上是一种无用功 ，最终的结果就是CPU都用 了无谓的轮询上了 ，造成CPU占用量高 ，但是IO吞吐量却不会超过 普通阻塞IO编程。 普通非阻塞IO模型的时序流程如下图所示 ： 正如上图显示的轮询过程