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Linux的IO復用

日期:2017/3/1 10:00:24   编辑:Linux編程

首先我們來定義流的概念,一個流可以是文件,socket,pipe等等可以進行I/O操作的內核對象。

不管是文件,還是套接字,還是管道,我們都可以把他們看作流。

之後我們來討論I/O的操作,通過read,我們可以從流中讀入數據;通過write,我們可以往流寫入數據。現在假定一個情形,我們需要從流中讀數據,但是流中還沒有數據,(典型的例子為,客戶端要從socket讀如數據,但是服務器還沒有把數據傳回來),這時候該怎麼辦?

阻塞:阻塞是個什麼概念呢?比如某個時候你在等快遞,但是你不知道快遞什麼時候過來,而且你沒有別的事可以干(或者說接下來的事要等快遞來了才能做);那麼你可以去睡覺了,因為你知道快遞把貨送來時一定會給你打個電話(假定一定能叫醒你)。

非阻塞忙輪詢:接著上面等快遞的例子,如果用忙輪詢的方法,那麼你需要知道快遞員的手機號,然後每分鐘給他掛個電話:“你到了沒?”

很明顯一般人不會用第二種做法,不僅顯很無腦,浪費話費不說,還占用了快遞員大量的時間。
大部分程序也不會用第二種做法,因為第一種方法經濟而簡單,經濟是指消耗很少的CPU時間,如果線程睡眠了,就掉出了系統的調度隊列,暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。

為了了解阻塞是如何進行的,我們來討論緩沖區,以及內核緩沖區,最終把I/O事件解釋清楚。緩沖區的引入是為了減少頻繁I/O操作而引起頻繁的系統調用(你知道它很慢的),當你操作一個流時,更多的是以緩沖區為單位進行操作,這是相對於用戶空間而言。對於內核來說,也需要緩沖區。

假設有一個管道,進程A為管道的寫入方,B為管道的讀出方。

假設一開始內核緩沖區是空的,B作為讀出方,被阻塞著。然後首先A往管道寫入,這時候內核緩沖區由空的狀態變到非空狀態,內核就會產生一個事件告訴B該醒來了,這個事件姑且稱之為“緩沖區非空”。
但是“緩沖區非空”事件通知B後,B卻還沒有讀出數據;且內核許諾了不能把寫入管道中的數據丟掉這個時候,A寫入的數據會滯留在內核緩沖區中,如果內核也緩沖區滿了,B仍未開始讀數據,最終內核緩沖區會被填滿,這個時候會產生一個I/O事件,告訴進程A,你該等等(阻塞)了,我們把這個事件定義為“緩沖區滿”。

假設後來B終於開始讀數據了,於是內核的緩沖區空了出來,這時候內核會告訴A,內核緩沖區有空位了,你可以從長眠中醒來了,繼續寫數據了,我們把這個事件叫做“緩沖區非滿”
也許事件Y1已經通知了A,但是A也沒有數據寫入了,而B繼續讀出數據,知道內核緩沖區空了。這個時候內核就告訴B,你需要阻塞了!,我們把這個時間定為“緩沖區空”。

這四個情形涵蓋了四個I/O事件,緩沖區滿,緩沖區空,緩沖區非空,緩沖區非滿(注都是說的內核緩沖區,且這四個術語都是我生造的,僅為解釋其原理而造)。這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什麼概念,請學習操作系統的鎖,信號量,條件變量等任務同步方面的相關知識)。

然後我們來說說阻塞I/O的缺點。但是阻塞I/O模式下,一個線程只能處理一個流的I/O事件。如果想要同時處理多個流,要麼多進程(fork),要麼多線程(pthread_create),很不幸這兩種方法效率都不高。
於是再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式,我們發現我們可以同時處理多個流了(把一個流從阻塞模式切換到非阻塞模式再此不予討論):
while true {
for i in stream[]; {
if i has data
read until unavailable
}
}
我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍,又從頭開始。這樣就可以處理多個流了,但這樣的做法顯然不好,因為如果所有的流都沒有數據,那麼只會白白浪費CPU。這裡要補充一點,阻塞模式下,內核對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒,而非阻塞模式下則把I/O事件交給其他對象(後文介紹的select以及epoll)處理甚至直接忽略。

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