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IO的阻塞與非阻塞操作系統(tǒng)
所謂IO的阻塞與非阻塞,是指當(dāng)進(jìn)行IO操作時,需要的資源不可用,這時程序的表現(xiàn)。阻塞IO將讓程序處于等待狀態(tài),指導(dǎo)需要的資源可用;而非阻塞IO將直接返回,不等需要的資源可用。
目前IO模型主要經(jīng)歷了以下五種： 1）阻塞IO 2）非阻塞IO 3）IO復(fù)用（select和poll） 4）信號驅(qū)動IO（sigio） 5）異步IO（aio_）
內(nèi)核空間和用戶空間： 由于操作系統(tǒng)都包括內(nèi)核空間和用戶空間（或者說內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)），內(nèi)核空間主要存放的是內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，是供系統(tǒng)進(jìn)程使用的空間。而用戶空間主要存放的是用戶代碼和數(shù)據(jù)，是供用戶進(jìn)程使用的空間。目前Linux系統(tǒng)簡化了分段機制，使得虛擬地址與線性地址總是保持一致，因此，Linux系統(tǒng)的虛擬地址也是0~4G。Linux系統(tǒng)將這4G空間分為了兩個部分：將最高的1G空間（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供內(nèi)核使用，即為“內(nèi)核空間”，而將較低的3G空間（從虛擬地址 0x00000000到0xBFFFFFFF）供用戶進(jìn)程使用，即為“用戶空間”。同時由于每個用戶進(jìn)程都可以通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入到內(nèi)核空間，因此Linux的內(nèi)核空間可以認(rèn)為是被所有用戶進(jìn)程所共享的，因此對于一個具體用戶進(jìn)程來說，它可以訪問的虛擬內(nèi)存地址就是0~4G。另外Linux系統(tǒng)分為了四種特權(quán)級：0～3，主要是用來保護資源。0級特權(quán)最高，而3級則為最低，系統(tǒng)進(jìn)程主要運行在0級，用戶進(jìn)程主要運行在3級。
一般來說，IO操作都分為兩個階段，就拿套接口的輸入操作來說，它的兩個階段主要是： 1）等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到來，當(dāng)分組到來時，將其拷貝到內(nèi)核空間的臨時緩沖區(qū)中 2）將內(nèi)核空間臨時緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間緩沖區(qū)中
1、阻塞IO 默認(rèn)情況下，所有套接口都是阻塞的。
假如recvfrom函數(shù)是一個系統(tǒng)調(diào)用：
說明：任何一個系統(tǒng)調(diào)用都會產(chǎn)生一個由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)切換，再從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)切換的過程，而進(jìn)程上下文切換是通過系統(tǒng)中斷程序來實現(xiàn)的，需要保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文狀態(tài)，這是一個極其費力的過程。
2、非阻塞IO 當(dāng)我們把套接口設(shè)置成非阻塞時，就是由用戶進(jìn)程不停地詢問內(nèi)核某種操作是否準(zhǔn)備就緒，這就是我們常說的“輪詢”。這同樣是一件比較浪費CPU的方式。
所謂IO的阻塞與非阻塞,是指當(dāng)進(jìn)行IO操作時,需要的資源不可用,這時程序的表現(xiàn)。阻塞IO將讓程序處于等待狀態(tài),指導(dǎo)需要的資源可用;而非阻塞IO將直接返回,不等需要的資源可用。
3、IO復(fù)用 我們常用到的IO復(fù)用，主要是select和poll。這里同樣是會阻塞進(jìn)程的，但是這里進(jìn)程是阻塞在select或者poll這兩個系統(tǒng)調(diào)用上，而不是阻塞在真正的IO操作上。 另外還有一點不同于阻塞IO的就是，盡管看起來與阻塞IO相比，這里阻塞了兩次，但是第一次阻塞在select上時，select可以監(jiān)控多個套
接口上是否已有IO操作準(zhǔn)備就緒的，而不是像阻塞IO那種，一次性只能監(jiān)控一個套接口。
4、信號驅(qū)動IO 信號驅(qū)動IO就是說我們可以通過sigaction系統(tǒng)調(diào)用注冊一個信號處理程序，然后主程序可以繼續(xù)向下執(zhí)行，當(dāng)我們所監(jiān)控的套接口有IO操作準(zhǔn)備就緒時，由內(nèi)核通知觸發(fā)前面注冊的信號處理程序執(zhí)行，然后將我們所需要的數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。
所謂IO的阻塞與非阻塞,是指當(dāng)進(jìn)行IO操作時,需要的資源不可用,這時程序的表現(xiàn)。阻塞IO將讓程序處于等待狀態(tài),指導(dǎo)需要的資源可用;而非阻塞IO將直接返回,不等需要的資源可用。
5、異步IO 異步IO與信號驅(qū)動IO最主要的區(qū)別就是信號驅(qū)動IO是由內(nèi)核通知我們何時可以進(jìn)行IO操作了，而異步IO則是由內(nèi)核告訴我們IO操作何時完成了。具體來說就是，信號驅(qū)動IO當(dāng)內(nèi)核通知觸發(fā)信號處理程序時，信號處理程序還需要阻塞在從內(nèi)核空間緩沖區(qū)拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間
緩沖區(qū)這個階段，而異步IO直接是在第二個階段完成后內(nèi)核直接通知可以進(jìn)程后續(xù)操作了。
綜上所述，我們發(fā)現(xiàn) 前四種IO模型的主要區(qū)別是在第一階段，因為它們的第二階段都是在阻塞等待數(shù)據(jù)由內(nèi)核空間拷貝到用戶空間；而異步IO很明顯與前面四種有所不同，它在第一階段和第二階段都不會阻塞。具體參考如下：
所謂IO的阻塞與非阻塞,是指當(dāng)進(jìn)行IO操作時,需要的資源不可用,這時程序的表現(xiàn)。阻塞IO將讓程序處于等待狀態(tài),指導(dǎo)需要的資源可用;而非阻塞IO將直接返回,不等需要的資源可用。
最后，總結(jié)下同步IO與異步IO的區(qū)別： 1）同步IO操作會引起進(jìn)程阻塞直到IO操作完成。 2）異步IO操作不引起進(jìn)程阻塞。
因此，由上面定義可以看出，阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用、信號驅(qū)動IO都是屬于同步IO，而異步IO模型才與異步IO定義所匹配。
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