作業系統（二） IO模型 同步非同步 epoll

1、五種i/o模型

任何i/o過程都包含了等待和拷貝兩個步驟；等待發生阻塞，準備就緒就執行拷貝。

準備就緒含義：核心將資料拷貝到使用者空間（緩衝區）

（1）阻塞式i/o

應用程式一旦呼叫了乙個i/o函式，要一直等待資料從核心拷貝到使用者空間（緩衝區）完成，收到返回資料，在完成之前程序會一直阻塞。（必須等到返回才能進行下一步）

（2）非阻塞式i/o

非阻塞式會立即返回，應用程式呼叫了乙個i/o函式，程序不斷詢問核心資料是否就緒，並返回（-1表示錯誤未完成，0表示正常斷開，正數表示已讀取資料），未就緒就執行其他。

（3）訊號驅動io

當核心資料準備就緒時，傳送乙個sigio訊號，應用程式收到sigio訊號進行讀取資料操作。

（4）i/o多路復用

i/o是指的我們裝置i/o；

多路指多個網路連線（socket）；

復用指共用乙個或少量執行緒；

i/o多路復用就是很多個網路i/o請求共用乙個程序來處理這些連線。

乙個程序可以監視多個描述符，一旦某個描述符就緒，應用程式進行讀寫操作。

檔案描述符（fd）是核心建立的已開啟檔案的索引，是乙個非負整數，代表被開啟的檔案（檔案的id）。

（5）非同步i/o

前面4種方式屬於同步i/o。

非同步i/o是當使用者發起i/o請求，會立即返回，不需要去頻繁詢問資料是否準備就緒；核心會在準備就緒後傳送乙個訊號，應用程式收到這個訊號再去讀取。非同步i/o整個過程沒有程序被阻塞。

同步是按照順序一件一件的去完成，一件事情沒有返回結果之前，不會執行下一件。

比如a、b兩程序都要使用某資源，a程序正占用資源，那麼b程序必須等a使用完才能訪問資源，b等待時為阻塞狀態。

非同步是互相不影響，乙個程序的執行過程不受另乙個程序影響。

同步與非同步區別是訪問資料時是否會發生阻塞。

阻塞是指呼叫返回結果之前，程序會被掛起等待，此時為阻塞狀態。

非阻塞與阻塞對應，不能立刻返回結果時，程序不會阻塞，而是立刻返回。

阻塞與非阻塞區別為是否立刻返回結果。

linux系統下i/o多路復用的系統呼叫有select、poll、epoll三種方式。

檔案描述符（fd）是核心建立的已開啟檔案的索引，是乙個非負整數，代表被開啟的檔案（檔案的id）。

區別：（1）檔案描述符數量（最大連線數）

select開啟的檔案數受限制，最大2048（fd_setsize設定）；

poll沒有上限（基於鍊錶儲存的）；

epoll也沒有上限。

（2）操作效率

select每次只是通知需要處理，具體位置需要通過遍歷的方式（輪詢機制）查詢檔案描述符（fd）的i/o是否就緒，時間複雜度o(n)。

poll和select一樣，也是需要遍歷的方式（輪詢機制）查詢，時間複雜度o(n)。

epoll只對活躍的描述符佇列進行操作，不需要遍歷，時間複雜度o(1)。

（3）拷貝

select需要將fd集合從使用者空間拷貝到核心空間；

poll也需要將fd集合從使用者空間拷貝到核心空間；

epoll的使用者空間和核心空間利用mmap()對映來共享記憶體，避免不必要拷貝。

使用者態: 只能受限訪問記憶體, 且不允許訪問外圍裝置。占用的cpu資源可以被其他程式剝奪。（非特權指令——應用程式）

核心態: cpu可以訪問記憶體所有資料, 包括外圍裝置, cpu也可以將自己從乙個程式切換到另乙個程式。（ 特權指令——核心程式）

為什麼要有使用者態和核心態？

由於需要限制不同程式的訪問許可權, 防止越界獲取記憶體資料, cpu劃分出兩個許可權等級——使用者態和核心態。

使用者態與核心態的切換：

使用者態切換到核心態的唯一途徑——>中斷/異常/陷入

核心態切換到使用者態的途徑——>設定程式狀態字

linux系統下的i/o多路復用中有水平觸發和邊緣觸發兩種模式。

水平觸發（lt）：epoll的預設工作方式。

epoll_wait()檢測到檔案描述符fd準備就緒，觸發通知，可以不立即處理，如果不執行，下次繼續通知處理。

如果沒有把資料一次性讀寫完(如讀寫緩衝區太小)，下次呼叫 epoll_wait()，會通知上次沒讀寫完的檔案描述符繼續讀寫。

邊緣觸發（et）：epoll的高速工作方式。

epoll_wait()檢測到檔案描述符fd狀態發生改變，觸發通知，執行後返回（需要立即處理）。

如果沒有把資料一次性讀寫完(如讀寫緩衝區太小)，下次呼叫epoll_wait()，不會通知上次沒讀寫完，直到該檔案描述符狀態發生改變才會通知。

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