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  • 五种IO模型

    2021-01-22 15:42:36
    在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型,分别是:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。 1、阻塞IO模型 最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中会发生阻塞现象。 当用户线程发出IO请求之后,...

    在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型,分别是:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。
    1、阻塞IO模型

    最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

    当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态。

    典型的阻塞IO模型的例子为:

    data = socket.read();

    如果数据没有就绪,就会一直阻塞在read方法。

    2、非阻塞IO模型

    当用户线程发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。

    所以事实上,在非阻塞IO模型中,用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU。

    典型的非阻塞IO模型一般如下:

    while(true){ 
            data = socket.read(); 
            if(data!= error){ 
                处理数据 
                break; 
            } 
        } 
     但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题,在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU占用率非常高,因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。
    

    3、多路复用IO模型

    多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。

    在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket的状态,只有当socket真正有读写事件时,才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket读写事件进行时,才会使用IO资源,所以它大大减少了资源占用。

    在Java NIO中,是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件,如果没有事件,则一直阻塞在那里,因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

    也许有朋友会说,我可以采用 多线程+ 阻塞IO 达到类似的效果,但是由于在多线程 + 阻塞IO 中,每个socket对应一个线程,这样会造成很大的资源占用,并且尤其是对于长连接来说,线程的资源一直不会释放,如果后面陆续有很多连接的话,就会造成性能上的瓶颈。

    而多路复用IO模式,通过一个线程就可以管理多个socket,只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此,多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。

    另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中,不断地询问socket状态是通过用户线程去进行的,而在多路复用IO中,轮询每个socket状态是内核在进行的,这个效率要比用户线程要高的多。

    不过要注意的是,多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达,并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说,一旦事件响应体很大,那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理,并且会影响新的事件轮询。

    4、信号驱动IO模型

    在信号驱动IO模型中,当用户线程发起一个IO请求操作,会给对应的socket注册一个信号函数,然后用户线程会继续执行,当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程,用户线程接收到信号之后,便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

    5、异步IO模型

    异步IO模型才是最理想的IO模型,在异步IO模型中,当用户线程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从内核的角度,当它收到一个asynchronous read之后,它会立刻返回,说明read请求已经成功发起了,因此不会对用户线程产生任何block。然后,内核会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户线程,当这一切都完成之后,内核会给用户线程发送一个信号,告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要知道实际的整个IO操作是如何进行的,只需要先发起一个请求,当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成,可以直接去使用数据了。

    也就说在异步IO模型中,IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程,这两个阶段都是由内核自动完成,然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的,在信号驱动模型中,当用户线程接收到信号表示数据已经就绪,然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作;而在异步IO模型中,收到信号表示IO操作已经完成,不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

    注意,异步IO是需要操作系统的底层支持,在Java 7中,提供了Asynchronous IO。

    前面四种IO模型实际上都属于同步IO,只有最后一种是真正的异步IO,因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型,IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞,也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

    6、两种高性能IO设计模式

    在传统的网络服务设计模式中,有两种比较经典的模式:一种是 多线程,一种是线程池。对于多线程模式,也就说来了client,服务器就会新建一个线程来处理该client的读写事件,如下图所示:

    在这里插入图片描述

    这种模式虽然处理起来简单方便,但是由于服务器为每个client的连接都采用一个线程去处理,使得资源占用非常大。因此,当连接数量达到上限时,再有用户请求连接,直接会导致资源瓶颈,严重的可能会直接导致服务器崩溃。

    因此,为了解决这种一个线程对应一个客户端模式带来的问题,提出了采用线程池的方式,也就说创建一个固定大小的线程池,来一个客户端,就从线程池取一个空闲线程来处理,当客户端处理完读写操作之后,就交出对线程的占用。因此这样就避免为每一个客户端都要创建线程带来的资源浪费,使得线程可以重用。

    但是线程池也有它的弊端,如果连接大多是长连接,因此可能会导致在一段时间内,线程池中的线程都被占用,那么当再有用户请求连接时,由于没有可用的空闲线程来处理,就会导致客户端连接失败,从而影响用户体验。因此,线程池比较适合大量的短连接应用。

    因此便出现了下面的两种高性能IO设计模式:Reactor和Proactor。

    在Reactor模式中,会先对每个client注册感兴趣的事件,然后有一个线程专门去轮询每个client是否有事件发生,当有事件发生时,便顺序处理每个事件,当所有事件处理完之后,便再转去继续轮询,如下图所示:

    在这里插入图片描述

      从这里可以看出,上面的五种IO模型中的多路复用IO就是采用Reactor模式。注意,上面的图中展示的 是顺序处理每个事件,当然为了提高事件处理速度,可以通过多线程或者线程池的方式来处理事件。
    

    在Proactor模式中,当检测到有事件发生时,会新起一个异步操作,然后交由内核线程去处理,当内核线程完成IO操作之后,发送一个通知告知操作已完成,可以得知,异步IO模型采用的就是Proactor模式。

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  • 五种IO模型.pdf

    2021-09-14 18:15:51
    五种IO模型.pdf
  • 主要介绍了Linux 下的五种 IO 模型详细介绍的相关资料,需要的朋友可以参考下
  • 五种IO模型详解

    万次阅读 多人点赞 2018-03-20 11:26:52
    在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型,分别是:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。下面就分别来介绍一下这5种IO模型的异同。1.阻塞IO模型 最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中会发生...

    在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型,分别是:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO

    下面就分别来介绍一下这5种IO模型的异同。

    1.阻塞IO模型

      最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

      当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态。

    典型的阻塞IO模型的例子为:

    data = socket.read();

    如果数据没有就绪,就会一直阻塞在read方法。

    2.非阻塞IO模型

      当用户线程发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。

      所以事实上,在非阻塞IO模型中,用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU

    典型的非阻塞IO模型一般如下:

    while(true){

       data = socket.read();

       if(data!= error){

           处理数据

           break;

       }

    }

      但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题,在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU占用率非常高,因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

    3.多路复用IO模型

      多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO

      在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket的状态,只有当socket真正有读写事件时,才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket读写事件进行时,才会使用IO资源,所以它大大减少了资源占用。

      在Java NIO中,是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件,如果没有事件,则一直阻塞在那里,因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

      也许有朋友会说,我可以采用多线程+ 阻塞IO 达到类似的效果,但是由于在多线程 阻塞IO 中,每个socket对应一个线程,这样会造成很大的资源占用,并且尤其是对于长连接来说,线程的资源一直不会释放,如果后面陆续有很多连接的话,就会造成性能上的瓶颈。

      而多路复用IO模式,通过一个线程就可以管理多个socket,只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此,多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。

      另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中,不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的,而在多路复用IO中,轮询每个socket状态是内核在进行的,这个效率要比用户线程要高的多。

      不过要注意的是,多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达,并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说,一旦事件响应体很大,那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理,并且会影响新的事件轮询。

    4.信号驱动IO模型

      在信号驱动IO模型中,当用户线程发起一个IO请求操作,会给对应的socket注册一个信号函数,然后用户线程会继续执行,当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程,用户线程接收到信号之后,便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中,对TCP套接口几乎是没用的,原因是该信号产生得过于频繁,并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情

    5.异步IO模型

      异步IO模型才是最理想的IO模型,在异步IO模型中,当用户线程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从内核的角度,当它受到一个asynchronous read之后,它会立刻返回,说明read请求已经成功发起了,因此不会对用户线程产生任何block。然后,内核会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户线程,当这一切都完成之后,内核会给用户线程发送一个信号,告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的,只需要先发起一个请求,当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成,可以直接去使用数据了。

      也就说在异步IO模型中,IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程,这两个阶段都是由内核自动完成,然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的,在信号驱动模型中,当用户线程接收到信号表示数据已经就绪,然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作;而在异步IO模型中,收到信号表示IO操作已经完成,不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

      注意,异步IO是需要操作系统的底层支持,在Java 7中,提供了Asynchronous IO。简称AIO

    前面四种IO模型实际上都属于同步IO,只有最后一种是真正的异步IO,因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型,IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞,也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

    两种高性能IO设计模式

    在传统的网络服务设计模式中,有两种比较经典的模式:

      一种是多线程,一种是线程池。

      对于多线程模式,也就说来了client,服务器就会新建一个线程来处理该client的读写事件,如下图所示:

    这种模式虽然处理起来简单方便,但是由于服务器为每个client的连接都采用一个线程去处理,使得资源占用非常大。因此,当连接数量达到上限时,再有用户请求连接,直接会导致资源瓶颈,严重的可能会直接导致服务器崩溃。

      因此,为了解决这种一个线程对应一个客户端模式带来的问题,提出了采用线程池的方式,也就说创建一个固定大小的线程池,来一个客户端,就从线程池取一个空闲线程来处理,当客户端处理完读写操作之后,就交出对线程的占用。因此这样就避免为每一个客户端都要创建线程带来的资源浪费,使得线程可以重用。

      但是线程池也有它的弊端,如果连接大多是长连接,因此可能会导致在一段时间内,线程池中的线程都被占用,那么当再有用户请求连接时,由于没有可用的空闲线程来处理,就会导致客户端连接失败,从而影响用户体验。因此,线程池比较适合大量的短连接应用。

      因此便出现了下面的两种高性能IO设计模式:ReactorProactor

    Reactor模式中,会先对每个client注册感兴趣的事件,然后有一个线程专门去轮询每个client是否有事件发生,当有事件发生时,便顺序处理每个事件,当所有事件处理完之后,便再转去继续轮询,如下图所示:

    从这里可以看出,上面的五种IO模型中的多路复用IO就是采用Reactor模式。注意,上面的图中展示的 是顺序处理每个事件,当然为了提高事件处理速度,可以通过多线程或者线程池的方式来处理事件。Java NIO使用的就是这种

      在Proactor模式中,当检测到有事件发生时,会新起一个异步操作,然后交由内核线程去处理,当内核线程完成IO操作之后,发送一个通知告知操作已完成,可以得知,异步IO模型采用的就是Proactor模式。Java AIO使用的这种。


    原文连接:http://www.coc88.com/h-nd.html?id=141&_np=2_561&complexStaticUrl=true&


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  • 理解Linux五种IO模型是理解Java IO模型的基础,以钓鱼的例子为例,是否等待鱼上钩(数据准备)用来区分阻塞和非阻塞,是否手动将鱼捞出用来区分同步和异步(真正的读写操作),链接:...mid=2247484746&...

    理解Linux五种IO模型是理解Java IO模型的基础,以钓鱼的例子为例,是否等待鱼上钩(数据准备)用来区分阻塞和非阻塞,是否手动将鱼捞出用来区分同步和异步(真正的读写操作),链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3MjA4MTExMw==&mid=2247484746&idx=1&sn=c0a7f9129d780786cabfcac0a8aa6bb7&source=41#wechat_redirect

    理解Java三种IO模型,BIO就是操作系统提供的阻塞IO模型,NIO是IO复用模型,而AIO是异步IO模型,链接:https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/BIO-NIO-AIO.md https://zhuanlan.zhihu.com/p/23488863

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  • linux 五种IO模型 简介.pdf
  • 初识五种IO模型

    2018-07-16 21:59:42
    以下内容均为本人学习笔记,若有不当,感谢指出 在网络环境下将IO分为两步,第一步为等待,第二步...下面是人们为解决行IO效率提出的五种IO模型 五种IO模型 1.阻塞IO 在内核将数据准备好之前,系统调用会一...

    以下内容均为本人学习笔记,若有不当,感谢指出

    我们将IO分为两步,第一步为等待,第二步为数据搬迁

    • 而往往是等待的过程限制了IO的执行效率,针对这个性能瓶颈,只要我们能降低IO中等待的比重,就能提高IO效率
    • 下面讨论将针对如何降低IO中等待的比重来提高效率

    下面是人们为解决行IO效率提出的五种IO模型

    五种IO模型

    1.阻塞IO

    在内核将数据准备好之前,系统调用会一直等待,所有的套接字都是阻塞式的
    阻塞IO是最常见的IO模型

    阻塞式IO在系统调用未返回时,进程会一直阻塞,在这期间什么事也做不了,时间资源浪费,效率太低。

    阻塞IO

    图1 阻塞式IO

    2.非阻塞式IO

    如果内核还未将数据准备好,调用仍旧会直接返回,并返回EWOULDBLOCK错误码
    当然调用可以返回是基于非阻塞文件描述符

    非阻塞式IO数据还没有准备好时,并不会挂起,会执行其他任务,期间需要反复尝试读取文件描述符状态,这个过程一般需要程序员自己实现循环尝试读取文件描述符,也这种过程称为轮询
    但是这种做法也有它的缺陷

    • 轮询时间不好控制
    • 代码编写较复杂
    • 轮询过程对CPU资源浪费较大

    3.信号驱动IO

    内核将数据准备好之后,发送SIGIO信号通知应用进程进行IO操作

    信号驱动IO模型,注册信号捕捉SIGIO信号,信号到来才调用recvfrom。这里的recvfrom只进行数据准备。避免了上面阻塞IO轮询式对CPU资源的浪费,而是采用信号通知的方法得知文件描述符状态。但是也存在自己的问题:

    • 在多线程程序中,同组线程之间共享信号集,若收到一个信号,所有信号都将挂起等待,只有到信号处理完成后,才可能正常执行

    4.IO多路转接

    类似于阻塞式IO,核心在于一个线程同时等待多个描述符状态

    调用select等待多个文件描述符,recvfrom只是select返回后进行数据拷贝。
    多路转接IO模型,因为可以批量等待,在等待文件描述符就绪的概率明显提高,多路转接IO模型也是效率最高效的,这种IO模型也是重点讨论的
    多路转接IO

    图2 多路转接IO

    上面4中IO模型都是调用者自己等待结果状态,我们称为同步IO

    5.异步IO

    内核在数据拷贝完成时通知应用程序(而信号驱动是以信号机制告知程序何使可以开始拷贝数据)

    概念补充:
    (1) 阻塞IO和非阻塞IO
    这里的阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态

    • 阻塞调用:调用结果返回之前,进程一直被挂起,只有得到调用结果才会返回
    • 非阻塞调用:没有得到调用结果之前,该调用不会阻塞进程

    (2)同步通信和异步通信

    这里的同步和异步关注的是消息通知机制,应该与同步互斥中的同步区分开

    • 同步 : 没有得到调用结果之前,该调用就不返回,一旦调用返回,就得到返回值,调用者主动等待调用状态。
    • 异步 : 调用发出之后,这个调用就返回了,没有返回结果;调用者不会立刻得到结果,由被调用者通过状态、通知来通知调用者,或者通过回调函数处理这个调用。

    实际应用中同步异步的应用

    同步的思想是:

    服务器将所有的操作都完成了,才将结果返回给客户。
    例如说,处理用户注册账号的请求,服务器开始处理用户提交的数据,将用户的信息插入数据库,这些操作都执行完成后,才给用户返回一个注册成功的提示,那在服务器处理业务的这段时间内,客户端界面就不动了。处于一种类似于卡死的状态,只是因为请求正在处理,暂时没有响应而已。
    此时用户端不能关闭界面,如果关闭了,迁移程序就终止, 那么执行就中断了。

    这样的话不仅服务器压力大,用户体验还不好。

    异步的思想是:

    服务器尽快将结果返回给用户,再进行处理用户的数据
    还是注册的例子,服务器将用户的请求放在消息队列中,然后向用户反馈已经成功了消息,系统迁移程序已经启动了,你可以进行别的操作,也可以关闭浏览器了。
    然后服务器端再将用户的数据写入数据库,这就是异步的思想。

    用户能在很快的时间内收到响应,对用户来体验是很重要的。

    同步异步操作的场景:

    异步我们通常是采用一种缓存机制,一般使用消息队列来完成,先将数据放入消息队列中,然后再执行写入数据库的操作
    因为异步操作效率比较高,所以项目中一般都会采用异步机制
    但是在一些多线程读写共享资源时就应该采用同步机制了,银行转账系统、购票系统、数据库的写操作(事务)等

    我能回想起的同步和异步的应用

    自己项目中数据库的操作现在暂时还是同步的处理,待完善
    之前写的爬虫项目也遇到中ajax异步加载页面,需要再次找到异步加载的资源再进行爬取分析
    那记得模电数电中了的同步电路和异步电路的概念,触发器呀和锁存器呀什么的(回忆不起来了)。

    完。

    展开全文
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    在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型,分别是:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。 下面就分别来介绍一下这5种IO模型的异同。 1.阻塞IO模型  最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中...
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    参考网络上相关内容即可: 五种IO模型 UNIX网络编程读书笔记:I/O模型(阻塞、非阻塞、I/O复用、信号驱动、异步)
  • 五种IO模型的简单学习和多路转接之select服务器的实现
  • Linux的五种IO模型(形象实例详解)

    千次阅读 2019-04-28 17:40:46
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五种io模型