從OS的層次理解網路I/O模型-有解無憂

基本概念

傳統IO的種類

InputStream、OutputStream 基于位元組流操作的 IO
Write、Reader基于字符流的IO
File基于磁盤操作的IO
Socket基于網路操作的IO

內核空間與用戶空間

- 內核負責網路與檔案資料的讀寫 - 用戶程式通過系統呼叫獲得網路和檔案的資料

內核態與用戶態的切換

//當前執行緒處于用戶態
String str = "string";
int x = 2;
//切換至內核態
FileOutputStream fop = new FileOutputStream(new File("a.txt"));
OutputStreamWrite out = new OutputStreamWrite(fop, "GBK");
out.write("....");
out.append('\r\n');
out.close();
//用戶態
int y = x + 2;

- 程式為讀寫資料不得不發生系統呼叫， - 通過系統呼叫介面，執行緒從用戶態切換到內核態，內核讀寫資料后，再切換回來， - 行程或執行緒的不同空間狀態，

socket通信
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

服務器呼叫socket()、bind()、listen()完成初始化后，呼叫accept()阻塞等待，處于監聽埠的狀態，客戶端呼叫socket()初始化后，呼叫connect()發出SYN段并阻塞等待服務器應答，服務器應答一個SYN-ACK段，客戶端收到后從connect()回傳，同時應答一個ACK段，服務器收到后從accept()回傳，

資料傳輸的程序：
建立連接后，TCP協議提供全雙工的通信服務，但是一般的客戶端/服務器程式的流程是由客戶端主動發起請求，服務器被動處理請求，一問一答的方式，因此，服務器從accept()回傳后立刻呼叫read()，讀socket就像讀管道一樣，如果沒有資料到達就阻塞等待，這時客戶端呼叫write()發送請求給服務器，服務器收到后從read()回傳，對客戶端的請求進行處理，在此期間客戶端呼叫read()阻塞等待服務器的應答，服務器呼叫write()將處理結果發回給客戶端，再次呼叫read()阻塞等待下一條請求，客戶端收到后從read()回傳，發送下一條請求，如此回圈下去，

如果客戶端沒有更多的請求了，就呼叫close()關閉連接，就像寫端關閉的管道一樣，服務器的read()回傳0，這樣服務器就知道客戶端關閉了連接，也呼叫close()關閉連接，注意，任何一方呼叫close()后，連接的兩個傳輸方向都關閉，不能再發送資料了，如果一方呼叫shutdown()則連接處于半關閉狀態，仍可接收對方發來的資料，

客戶端

public class EchoClient {
	public static int DEFAULT_PORT = 9999;
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		int port;
        try {
			port = Integer.parseInt(args[0]);
		} catch(RuntimeException e) {
        	port = DEFAULT_PORT;
		}
		Socket socket = new Socket("127.0.0.1", port);
		//鍵盤輸入
		BufferedReader buff = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		//Socket輸出流,自動重繪
		PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        //Socket輸入流，讀取服務端的資料并回傳的大寫資料
		BufferedReader buffin = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String line = null;
        while((line = buff.readLine()) != null) {
        	if("stop".equals(line)) {
        		break;
			}
        	out.println(line);
			// 讀取服務端回傳的一行大寫資料
			System.out.println(buffin.readLine());
		}

	}
}

也可使用linux下的nc命令代替客戶端

服務端

public class EchoServer {
	public static int DEFAULT_PORT = 9999;

	public static void main(String[] args){
		int port;
		try {
			port = Integer.parseInt(args[0]);
		} catch(RuntimeException e){
			port = DEFAULT_PORT;
		}

		try {
			ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
			Socket clientSocket = serverSocket.accept();
			String ip = clientSocket.getInetAddress().getHostAddress();
			System.out.println("port : " + port + '\t' + "ipaddress : " + ip);
			//server 輸出流對應client輸入流，反之亦然
			PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
			BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
			String inputline ;
			while((inputline = in.readLine()) != null){
				System.out.println(inputline);
				out.println(inputline.toUpperCase());
			}
		} catch (IOException e) {
			System.out.println("Exception caught when trying to listen on port" + port + "or listening for a connection");
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

同步與異步

描述的是用戶執行緒與內核的互動方式或者說關注的是訊息通信機制：

同步是指用戶執行緒發起 I/O 請求后需要等待（堵塞）或者輪詢（非堵塞）內核 I/O 操作完成后才能繼續執行；
異步是指用戶執行緒發起 I/O 請求后仍繼續執行，當內核 I/O 操作完成后會通知用戶執行緒，或者呼叫用戶執行緒注冊的回呼函式，

堵塞與非堵塞

關注的是用戶執行緒呼叫內核 I/O 操作時，用戶執行緒等待I/O操作完成前是否能做其他的事情：

阻塞是指 I/O 操作需要徹底完成后才回傳到用戶空間；
非阻塞是指 I/O 操作被呼叫后立即回傳給用戶一個狀態值，無需等到 I/O 操作徹底完成，

阻塞與非阻塞主要是程式（執行緒）等待訊息通知時的狀態角度，同步與異步主要是從訊息機制角度來說，這兩組概念組合為四種情況，下面舉幾個網上的例子：

同步堵塞李華點火燒水，中間啥事也沒干，并一直等到水開（阻塞），水開了山治關火（同步）
同步非堵塞（輪詢方式）李華點火燒水，中間去看了電視，時不時看看水開了嘛（非阻塞），水開了山治關火（同步）
異步堵塞李華使用電水壺燒水，并一直等待電水壺燒水（阻塞），中間啥也沒干，水開了自動斷電（異步），
異步非堵塞李華使用電水壺燒水，然后去看電視了（非阻塞），沒有再管燒水壺，水開了自動斷電（異步），

IO模型演進

IO操作發生時會經歷兩個階段：

用戶行程等待系統內核資料準備
將資料從內核拷貝到用戶行程中

下面簡單介紹常見的五種 I/O 模型：

阻塞 I/O
非阻塞 I/O
I/O 復用（select 和 poll）
信號驅動I/O（SIGIO）
異步 I/O

本節中將recvfrom函式視為系統呼叫，一般recvfrom函式的實作都有一個從應用程式行程中運行到內核中運行的切換，一段時間后再跟一個回傳應用行程的切換，

阻塞 I/O

請求無法立即完成則保持阻塞，

- 等待資料就緒，網路I/O的情況就是等待遠端資料陸續抵達；磁盤I/O的情況就是等待磁盤資料從磁盤上讀取到內核態記憶體中， - 資料復制，出于系統安全考慮，用戶態的程式沒有權限直接讀取內核態記憶體，因此內核負責把內核態記憶體中的資料復制一份到用戶態記憶體中，

行程阻塞的整段時間是指從呼叫recvfrom函式開始到它回傳的這段時間，當行程回傳成功提示時，應用行程開始處理資料報，

非阻塞 I/O
　　　　　　　　　　　　　　　

- socket設定為NONBLOCK（非阻塞）就是告訴內核，當所請求的I/O操作無法完成時，不要讓行程進入睡眠狀態，而是立刻回傳一個錯誤碼（EWOULDBLOCK），這樣請求就不會阻塞； - I/O操作函式將不斷地測驗資料是否已經準備好，如果沒有準備好，則繼續測驗，直到資料準備好為止，在整個I/O請求的程序中，雖然用戶執行緒每次發起I/O請求后可以立即回傳，但是為了等到資料，仍需輪詢、重復請求，而這是對CPU時間的極大浪費， - 資料準備好了，從內核復制到用戶空間，

I/O 復用(異步堵塞I/O)

I/O 多路復用會用到 select 或者 poll 函式，這兩個函式也會使行程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，這兩個函式可以同時阻塞多個 I/O 操作，而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的 I/O 函式進行檢測，直到有資料可讀或可寫時，才真正呼叫 I/O 操作函式，

從流程上看，使用select函式進行I/O請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及呼叫select函式的額外操作，效率更差，但是，使用select函式的優勢是用戶可以在一個執行緒內同時處理多個socket的I/O請求，用戶可以注冊多個socket，然后不斷地呼叫select來讀取被激活的socket，達到在同一個執行緒內同時處理多個I/O請求的目的，而在同步阻塞模型中，必須通過多執行緒的方式才能達到這個目的，

I/O復用模型使用Reactor設計模式實作了這一機制，

呼叫select或poll函式的方法由一個用戶態執行緒負責輪詢多個socket，直到階段1的資料就緒，再通知實際的用戶執行緒執行階段2的復制操作，通過一個專職的用戶態執行緒執行非阻塞I/O輪詢，模擬實作階段1的異步化，

信號驅動I/O

> 首先，我們允許socket進行信號驅動I/O，并通過呼叫sigaction來安裝一個信號處理函式，行程繼續運行并不阻塞，當資料準備好后，行程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函式中呼叫recvfrom來讀取資料報，并通知主回圈資料已準備好被處理，也可以通知主回圈，讓它來讀取資料報，

異步 I/O

呼叫 aio_read 函式，告訴內核描述字，緩沖區指標，緩沖區大小，檔案偏移以及通知的方式，然后立即回傳，當內核將資料拷貝到緩沖區后，再通知應用程式，
異步I/O模型使用Proactor設計模式實作了這一機制，
　　　　　　　　　　　　　　

異步I/O模型告知內核：當整個程序（包括階段1和階段2）全部完成時，通知應用程式來讀資料，

幾種 I/O 模型的比較

前四種模型的區別是階段1不相同，階段2基本相同，都是將資料從內核拷貝到呼叫者的緩沖區，而異步 I/O 的兩個階段都不同于前四個模型，

同步 I/O 操作引起請求行程阻塞，直到 I/O 操作完成，異步 I/O 操作不引起請求行程阻塞，

關于這些模型的具體實作我打算放到Java I/O中進行討論，

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標籤：Linux

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