I/O操作如何完成？

由于进程无法直接操作I/O设备，因此必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O操作，内核会为每一个I/O设备维护一个buffer。其工作流程为：

 

对于输入而言，等待（wait）数据输入至buffer中需要时间，在从buffer复制（copy）到用户进程缓存区中也需要时间。因此，根据等待模式不同，I/O动作可以分为5种模式：

linux中的5种I/O模型

1、阻塞I/O模型

在这个模型下。当进程执行系统调用时，如果在用户进程空间的缓存区中没有找到相应的数据，则进程将处于阻塞状态。当内核从磁盘上读取数据到内核空间的buffer中，并且buffer中的数据复制到用户进程空间的缓存区中这段时间里，进程都将处于阻塞状态。当数据到达用户进程缓存区中，进程就会解除阻塞状态，再有进程将数据返回给客户端。由于进程处于阻塞状态，因此很少占用cpu，只是等待cpu的响应。因此，这种模型可以提高cpu的使用效率。在这种模型下，如果用户进程空间中依然没有数据，此时将进程唤醒，仍然没有什么用，因此，我们将这种睡眠叫做不可中断睡眠。其工作原理如图所示：

 

2、非阻塞I/O模型

在这种模型下。进程执行系统调用，如果在用户进程空间缓存区中没有找到数据，则进程不会处于阻塞状态。而是进程不断的询问用户进程空间缓存区中是否有数据。如果没有，立即返回EWOULDBLOCK，此时由于进程处于非阻塞状态，因此，该进程可以做其他的事情。在这种模型下，进程需要不断的询问用户进程缓存区中是否有数据，因此，会造成cpu大量的进行上下文切换（进程切换），会大量的消耗cpu。这种模型很少被人使用。其工作原理如图所示：

 

3、I/O多路复用

在这种模型下，进程会受阻于select，poll或epoll函数。这两个函数可以阻塞多个I/O操作，可以同时对多个读操作和多个写操作进行检测，直到数据变成可读或可写时，即数据已经加载到buffer中。才真正调用I/O操作函数，然后再将buffer中的数据复制到用户进程缓存区中，然后进程读取其数据，最后返回给客户端。其工作原理如图所示：

 

4、信号驱动I/O模型

在这种模型，当内核将数据读取到内核空间中的buffer中时，内核会为进程生成一个SIGIO信号。告知进程数据已准备好了，然后进程执行系统调用，将buffer中的数据拷贝至用户进程缓存区中，最后进程读取相应的数据返回给客户端。其工作原理如图所示：

 

5、异步I/O模型

在这种模型下，数据从磁盘加载到buffer中，再将buffer中的数据复制到用户进程缓存区。当数据复制完成后，内核会发生一个信号给进程，这样进程会在用户进程缓存区中读取数据，然后再返回给客户端。其工作原理如图所示：

异步I/O模型与信号驱动I/O模型的主要区别在于；信号驱动模型是由内核告知何时启动I/O操作；而异步I/O模型是由内核告知I/O操作何时完成。

 

 

5种不同的I/O模型比较

 

同步I/O:synchronous I/O,引起请求进程阻塞，直到I/O完成。

异步I/O：asynchronous I/O ,不导致请求进程阻塞。 

 

水平触发：隔一段时间通知一次，直到进程看到

边缘触发：只发送一次通知，不管进程是否看到

进程和线程的特点

进程特点：1、对于多进程模型而言，一个进程响应一个请求2、进程量大，进程切换次数过多3、每个进程的地址空间是独立，很多空间是重复的数据，所以内存使用效率较低

线程特点：

1、每个线程响应一个请求：2、线程依然切换：切换较之进程属于轻量级3、同一个进程的线程可以共享进程的诸多资源，比如打开的文件；4、对内存的需求较之进程略有下降；5、快速切换时会带来线程抖动