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  • 阻塞IO和非阻塞IO

    2019-09-13 19:21:46
    7、阻塞IO和非阻塞IO 阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。 阻塞IO和非阻塞IO指的是用户空间和内核空间的IO操作: 阻塞IO:用户空间通过系统...

    7、阻塞IO和非阻塞IO

           阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

     

           阻塞IO和非阻塞IO指的是用户空间和内核空间的IO操作:

     

           阻塞IO:用户空间通过系统调用(systemcall)和内核空间发送IO操作时,该调用时需要等待;

     

           非阻塞IO:用户空间通过系统调用(systemcall)和内核空间发送IO操作时,该调用不需要等待,直接返回,只是返回时可能没有数据。

     

    觉着老铁我写的还不错滴请继续关注下一章:IO设计模式之Reactor和Proactor模式

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  • 5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO

    万次阅读 多人点赞 2016-10-28 20:01:41
    5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO 看了一些文章,发现有很多不同的理解,可能是因为大家入切的角度、环境不一样。所以,我们先说明基本的IO操作及环境。本文是在《UNIX网络编程 卷1:套接字联网API》...

    5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO

           看了一些文章,发现有很多不同的理解,可能是因为大家入切的角度、环境不一样。所以,我们先说明基本的IO操作及环境。本文是在《UNIX网络编程 卷1:套接字联网API》6.2节"I/O 模型 "的基础上,即UNIX/LINUX环境下的网络 IO环境下的理解,它里面给出的例子是读取(接收)网络UDP数据。下面简单写写自己对这些IO模型的理解。

    1、IO

           IO (Input/Output,输入/输出)即数据的读取(接收)或写入(发送)操作,通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段:用户进程空间<-->内核空间、内核空间<-->设备空间(磁盘、网络等)IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种,通常我们说的IO指的是后两者。

           LINUX中进程无法直接操作I/O设备,其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作;内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。

           对于一个输入操作来说,进程IO系统调用后,内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据,没有的话再到设备中读取,因为设备IO一般速度较慢,需要等待;内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

           所以,对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段:

    (1)等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区,数据准备好;

    (2)从内核缓冲区复制数据到进程空间。

    2、5种IO模型

           《UNIX网络编程》说得很清楚,5种IO模型分别是阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型;前4种为同步IO操作,只有异步IO模型是异步IO操作。下面这样些图,是它里面给出的例子:接收网络UDP数据的流程在IO模型下的分析,在它的基础上再加以简单描述,以区分这些IO模型。

    2-1、阻塞IO模型

           进程发起IO系统调用后,进程被阻塞,转到内核空间处理,整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

    1、典型应用:阻塞socket、Java BIO;

    2、特点:

    进程阻塞挂起不消耗CPU资源,及时响应每个操作

    实现难度低、开发应用较容易;

    适用并发量小的网络应用开发;

    不适用并发量大的应用:因为一个请求IO会阻塞进程,所以,得为每请求分配一个处理进程(线程)以及时响应,系统开销大。

    2-2、非阻塞IO模型

           进程发起IO系统调用后,如果内核缓冲区没有数据,需要到IO设备中读取,进程返回一个错误而不会被阻塞;进程发起IO系统调用后,如果内核缓冲区有数据,内核就会把数据返回进程。

           对于上面的阻塞IO模型来说,内核数据没准备好需要进程阻塞的时候,就返回一个错误,以使得进程不被阻塞。

    1、典型应用:socket是非阻塞的方式(设置为NONBLOCK)

    2、特点:

    进程轮询(重复)调用,消耗CPU的资源

    实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难;

     适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发;

    2-3、IO复用模型

           多个的进程的IO可以注册到一个复用器(select)上,然后用一个进程调用该select, select会监听所有注册进来的IO;

           如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据,select调用进程会被阻塞;而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时,select调用就会返回;

           而后select调用进程可以自己或通知另外的进程(注册进程)来再次发起读取IO,读取内核中准备好的数据。

           可以看到,多个进程注册IO后,只有另一个select调用进程被阻塞。

    1、典型应用:select、poll、epoll三种方案,nginx都可以选择使用这三个方案;Java NIO;

    2、特点:

    专一进程解决多个进程IO的阻塞问题,性能好Reactor模式;

    实现、开发应用难度较大;

    适用高并发服务应用开发:一个进程(线程)响应多个请求

    3、select、poll、epoll

    Linux中IO复用的实现方式主要有select、poll和epoll:

    Select:注册IO、阻塞扫描,监听的IO最大连接数不能多于FD_SIZE;

    Poll:原理和Select相似,没有数量限制,但IO数量大扫描线性性能下降;

    Epoll :事件驱动不阻塞,mmap实现内核与用户空间的消息传递,数量很大,Linux2.6后内核支持;

     2-4、信号驱动IO模型

           当进程发起一个IO操作,会向内核注册一个信号处理函数,然后进程返回不阻塞;当内核数据就绪时会发送一个信号给进程,进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

           1、特点:回调机制,实现、开发应用难度大;

    2-5、异步IO模型

           当进程发起一个IO操作,进程返回(不阻塞),但也不能返回果结;内核把整个IO处理完后,会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据

    1、典型应用:JAVA7 AIO、高性能服务器应用

    2、特点:

    不阻塞,数据一步到位Proactor模式

    需要操作系统的底层支持,LINUX 2.5 版本内核首现,2.6 版本产品的内核标准特性;

    实现、开发应用难度大;

    非常适合高性能高并发应用;

    3、IO模型比较

    3-1、阻塞IO调用和非阻塞IO调用、阻塞IO模型和非阻塞IO模型

           注意这里的阻塞IO调用和非阻塞IO调用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型:

                  阻塞IO调用 :在用户进程(线程)中调用执行的时候,进程会等待该IO操作,而使得其他操作无法执行。

                  非阻塞IO调用:在用户进程中调用执行的时候,无论成功与否,该IO操作会立即返回,之后进程可以进行其他操作(当然如果是读取到数据,一般就接着进行数据处理)。

           这个直接理解就好,进程(线程)IO调用会不会阻塞进程自己。所以这里两个概念是相对调用进程本身状态来讲的。

           从上面对比图片来说,阻塞IO模型是一个阻塞IO调用,而非阻塞IO模型是多个非阻塞IO调用+一个阻塞IO调用,因为多个IO检查会立即返回错误,不会阻塞进程。

           而上面也说过了,非阻塞IO模型对于阻塞IO模型来说区别就是,内核数据没准备好需要进程阻塞的时候,就返回一个错误,以使得进程不被阻塞。

    3-2、同步IO和异步IO

    同步IO:导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成。

    异步IO:不导致请求进程阻塞。

           上面两个定义是《UNIX网络编程 卷1:套接字联网API》给出的。这不是很好理解,我们来扩展一下,先说说同步和异步,同步和异步关注的是双方的消息通信机制

                  同步:双方的动作是经过双方协调的,步调一致的。

                  异步:双方并不需要协调,都可以随意进行各自的操作。

           这里我们的双方是指,用户进程和IO设备;明确同步和异步之后,我们在上面网络输入操作例子的基础上,进行扩展定义:

                 同步IO用户进程发出IO调用,去获取IO设备数据,双方的数据要经过内核缓冲区同步,完全准备好后,再复制返回到用户进程。而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成。

                 异步IO用户进程发出IO调用,去获取IO设备数据,并不需要同步,内核直接复制到进程,整个过程不导致请求进程阻塞。

          所以, 阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型者为同步IO模型,只有异步IO模型是异步IO。

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  • 阻塞IO与非阻塞IO

    万次阅读 多人点赞 2018-08-20 21:38:09
    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...

    学习地址:https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/6525396.html

    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:

         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:

          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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  • 阻塞IO、非阻塞IO和异步IO

    千次阅读 2018-12-01 07:49:23
    本文将介绍阻塞IO、非阻塞IO和异步IO的原理与区别。了解这些内容是掌握Java中NIO,Redis中的IO多路复用等基础,所以至关重要。

    IO操作构成

    • 步骤一 : 准备数据,将数据从存储介质(例如硬盘、Socket等)加载到内核缓存。
    • 步骤二 : 拷贝数据,将数据从内核缓存拷贝到用户内存。

    阻塞IO

    在Linux中,默认情况下所有的Socket都是阻塞IO。一个典型的阻塞读IO操作如下图所示:
    在这里插入图片描述
    当应用进程调用了recvfrom这个系统调用,操作系统内核就开始了IO的第一个阶段 : 准备数据。
    对于网络IO来说,很多情况下数据并不能一次性到达 (比如,还没有收到一个完整的UDP包 ),此时操作系统内核需要等待完整的数据到来。
    此时,应用进程整个进程会被阻塞。
    当操作系统内核数据准备好了,它会将数据从内核缓存中拷贝到应用内存,应用进程才解除阻塞的状态,重新运行。
    所以,阻塞IO的特点就是在IO操作的两个阶段准备数据和拷贝数据都被阻塞了。

    非阻塞IO

    Linux下,可以通过设置Socket使其变为非阻塞IO。一个典型的非阻塞读IO操作如下图所示:
    在这里插入图片描述
    当应用进程recvfrom这个系统调用,如果操作系统内核中的数据还没有准备好,那么它并不会阻塞应用进程,而是立刻返回一个error。从应用进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要阻塞,而是马上就得到了一个结果。当用户进程判断结果为error时,它能够判断数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。
    一旦操作系统内核中的数据准备完成,并且又再次收到了用户进程的read操作,那么它立刻将数据拷贝到了用户内存,然后成功标识。
    所以,在非阻塞式IO中,用户进程需要不断的轮询操作系统内核数据是否准备好。

    阻塞IO与非阻塞IO区别

    阻塞IO : 应用进程在准备数据和拷贝数据两个阶段等待数据。
    非阻塞IO : 应用进程在准备数据阶段轮询,在拷贝数据阶段等待数据。
    

    注 : 阻塞IO和非阻塞IO均为同步IO。

    异步IO

    一个典型的异步读IO操作如下图所示:
    在这里插入图片描述
    异步IO的读取操作(aio_read)会通知内核进行读取操作并将数据拷贝至进程中,并通知内核进程整个操作全部完成后的回调函数。
    读取操作发出后会立刻返回,程序可以进行其它的操作,所有的读取、拷贝工作都由内核完成。
    完成以后,内核调用绑定的回调函数来处理数据。

    非阻塞IO与异步IO区别

    非阻塞IO : 应用进程在准备数据阶段轮询,在拷贝数据阶段等待数据。
    异步IO : 应用进程在准备数据和拷贝数据两个阶段均不等待,可以进行其他操作。
    

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