Unix下5種基本的I O模型

unix下5種基本的i/o模型：

1.阻塞i/o

2.非阻塞i/o

3.i/o復用（select和poll）

4.訊號驅動i/o（sigio）

5.非同步i/o（posix.1的aio_系列函式）

unix中乙個輸入操作一般有兩個不同的階段：

1.等待資料準備好。

2.從核心到程序拷貝資料。

對於乙個sockt上的輸入操作，第一步一般是等待資料到達網路，當分組到達時，它被拷貝到核心中的某個緩衝區，第二步是將資料從核心緩衝區拷貝到應用程式緩衝區。

下面分別介紹上面提到的5類i/o模型

本文中我們用udp來進行舉例，並且我們將函式recvfrom視為系統呼叫,這樣讓我們的注意力都集中在i/o模型上。

阻塞i/o模型

最流行的i/o模型是阻塞i/o模型，預設時，所有sockt都是阻塞的,這意味著當乙個sockt呼叫不能立即完成時，程序進入睡眠狀態，等待操作完成。如圖:

圖1 阻塞i/o模型

在圖1中，程序呼叫recvfrom,此呼叫直到資料報到達且拷貝到應用緩衝區或是出錯才返回。最常見的錯誤是系統呼叫被訊號中斷，我們所說程序阻塞的整段時間是指從呼叫recvfrom開始到它返回的這段時間，當程序返回成功指示時，應用程序開始處理資料報。

下面是乙個採用阻塞i/o模型編寫的簡單伺服器端**（本**來至於unix網路程式設計）,這段**的功能是把客戶端發來的資料再回射到客戶端,本例子中程序阻塞於recvfrom.

#include "unp.h"

void dg_echo(int sockfd, sa *pcliaddr, socklen_t clilen);

intmain(int argc, char **argv)

void dg_echo(int sockfd, sa *pcliaddr, socklen_t clilen)}

非阻塞i/o模型

當我們把乙個sockt設定成非阻塞放式時，即通知核心：當請求的i/o操作非得讓程序睡眠才能完成時，不要讓程序睡眠，而應該返回乙個錯誤。如圖:

圖2 非阻塞i/o模型

如圖2所示，前3次呼叫recvfrom時仍無資料返回，因此核心立即返回乙個ewouldblock錯誤。第4次呼叫recvfrom時，資料報已經準備好了，被拷貝到應用緩衝區，recvfrom返回成功指示，接著就是我們處理資料報。

當乙個應用程序像這樣對乙個非阻塞sockt迴圈呼叫recvfrom時，我們稱此過程為輪詢（polling）.應用程序連續不斷的查詢核心，看看某操作是否準備好,這對cpu是極大的浪費，但這種模型只是偶爾才遇到。

i/o復用模型

i/o復用能讓乙個或多個i/o條件滿足（例如，輸入已經準備好被讀，或者描述字可以承接更多的輸出）時，我們就被通知到。i/o復用由select和poll支援，較新的posix.1g也支援(pselect)。

i/o復用典型地用在下列網路應用場合：

1.當客戶處理多個描述字時，必須使用。

2.乙個客戶同時處理多個sockt.

3.如果乙個伺服器既要處理監聽sockt,又要處理連線sockt,一般也用到。

4.如果乙個伺服器既要處理tcp,又要處理udp,一般也用到。

5.如果乙個伺服器要處理多個服務或多個協議（例如inetd守護程序），一般也用到。

i/o復用並非限於網路程式設計，許多正是應用程式也需要使用這項技術。

有了i/o復用，我們就可以呼叫select或poll，在這兩個系統呼叫中的某乙個上阻塞，而不阻塞於真正的i/o系統呼叫。圖3是i/o復用模型的乙個小結。

圖3 i/o復用模型

我們阻塞於select呼叫，等待資料報socket可讀,當select返回socket可讀條件時，我們呼叫recvfrom將資料報拷貝到應用快取區中。

將圖3與圖1比較，似乎沒有顯示什麼優越性，實際上因使用了select,要求2此系統呼叫而不是一次，好像變的還有點差，但是select的好處在於我們可以等待多個描述字準備好。

訊號驅動 i/o模型

訊號驅動 i/o模型能在描述字準備好時用訊號sigio通知我們，下圖給出例子：

圖4 訊號驅動 i/o模型

首先我們允許sockt進行訊號驅動 i/o，並通過系統呼叫sigaction安裝乙個訊號處理程式。此系統呼叫立即返回，程序繼續工作，它是非阻塞的。當資料報準備好被讀時，就為該程序生成個sigio訊號。我們隨即可以在訊號處理程式中呼叫recvfrom來讀取資料報，並通知主迴圈資料已準備好被處理，也可以通知主迴圈，讓它來處理資料報。

無論我們如何處理sigio訊號，這種模型的好處是當等待資料報到達時，可以不阻塞。主迴圈可以繼續執行，只是等待訊號處理程式的通知：或者資料報已準備好被處理，或者資料報已準備好被讀取。

非同步i/o模型

非同步i/o模型是posix.1的1993版本中的新內容。我們讓核心啟動操作，並在整個操作完成後（包括將資料報從核心拷貝到我們自己的緩衝區）通知我們。這種模型與訊號驅動模型的主要區別在於：訊號驅動i/o是有核心通知我們何時可以啟動乙個i/o操作，而非同步i/o模型是由核心通知我們i/o操作何時完成。圖5給出了乙個例子。

圖5 非同步i/o模型

我們呼叫aio_red(posix非同步i/o函式以aio_或lio_開頭)，給核心傳遞描述字、緩衝區指標、緩衝區大小（與red相同的3個引數）、檔案偏移（與lseek類似），並高書核心當整個操作完成時如何通知我們。此系統呼叫立即返回，我們的程序不阻塞於等待i/o操作的完成。在此例子中，我們假設要求核心在操作完成時產生乙個訊號，此訊號直到資料已拷貝到應用程式緩衝區才產生，這一點是於訊號驅動i/o模型不同的。

各種i/o模型的比較

圖6 各類i/o模型的比較

圖6給出了上述5中i/o模型的比較。它表明：前4種模型的區別都在第1階段，因為前4種模型的第2階段基本相同：在資料從核心拷貝到呼叫者的緩衝區時，程序阻塞於recvfrom呼叫。然而非同步i/o處理的兩個階段都不同於前4個模型。

同步i/o與非同步i/o

posix.1定義這兩個術語如下：

1.同步i/o操作引起請求程序阻塞，直到i/o操作完成。

2.非同步 i/o操作不引起請求程序阻塞。

根據上述定義，我們的前四個i/o模型都是同步i/o模型，因為真正的i/o操作（recvfrom）阻塞程序，只有非同步i/o模型與非同步i/o的定義相符合。

Unix下5種基本的I O模型

Unix下5種I O模型

Unix下5種I O模型

Unix下5中I O模型

Unix下5種基本的I O模型

Unix下5種I O模型

Unix下5種I O模型

Unix下5中I O模型

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