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四种常用的IO模型

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发表于 2018-1-31 16:50:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
四种常用IO模型
1) 同步阻塞IO(Blocking IO)
2) 同步非阻塞IO(Non-blocking IO)
3) IO多路复用(IO Multiplexing)
4) 异步IO(Asynchronous IO)
注意以下概念:
1.同步/异步
同步和异步是相对的
同步 前后两件任务, 有严格的顺序一致性(依赖和递进), 按顺序执行, 执行完一个再执行下一个, 需要等待、协调运行
异步 对顺序的要求和依赖关系没那么强, 表现出来就是两个任务可以分给两个人做, 在等待任务A结束时(同步点前)可以进行任务B
多线程就是实现异步的一个方式, 它把"第二件任务"交给其他的线程去做了. 硬件的DMA也是异步.
在实际编程中, 同步和异步区分了请求与响应的交互中, 获取响应的方式
同步: 请求某种结果, 响应返回所需结果
异步: 请求'给我结果', 第一次响应回答'我知道了', 第二次响应通知请求线程'已完成' (通过状态通知或调用请求者注册的回调函数等方式)
2.阻塞/非阻塞
阻塞和非阻塞也是相对概念
阻塞   : 请求-响应比较耗时, 如IO操作
非阻塞: 请求-响应比较迅速, 如没有等待IO完成就直接返回状态值
socket的非阻塞IO需要设置为NONBLOCK
1.同步阻塞IO
最简单的IO模型,用户线程在读写时被阻塞
数据拷贝指请求到的数据先存放在内核空间, 然后从内核空间拷贝至程序的缓冲区
伪代码如下
{
    // read阻塞    read(socket, buffer);    // 处理buffer              process(buffer);}

用户线程在IO过程中被阻塞,不能做任何事情,对CPU的资源利用率不高

2. 同步非阻塞
用户线程不断发起IO请求. 数据未到达时系统返回一状态值; 数据到达后才真正读取数据
伪代码如下
{    // read非阻塞       while(read(socket, buffer) != SUCCESS);    process(buffer);}
用户线程每次请求IO都可以立即返回,但是为了拿到数据,需不断轮询,无谓地消耗了大量的CPU
一般很少直接使用这种模型,而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性
3. IO多路复用
IO多路复用建立在内核提供的阻塞函数select上
用户先将需要进行IO操作的socket添加到select中,然后等待阻塞函数select返回。当数据到达后,socket被激活,select返回,用户线程就能接着发起read请求
伪代码如下:
[url=][/url]
{    // 注册    select(socket);    // 轮询    while(true) {        // 阻塞        sockets = select();        // 数据到达, 解除阻塞        for(socket in sockets) {            if(can_read(socket)) {            // 数据已到达, 那么socket阻不阻塞无所谓
       read(socket, buffer);            process(buffer);            }        }    }}[url=][/url]

看起来和加了循环的同步阻塞IO差不多?
实际上, 我们可以给select注册多个socket, 然后不断调用select读取被激活的socket,实现在同一线程内同时处理多个IO请求的效果.
至此, 同步阻塞(阻塞在select) / 同步非阻塞(IO没有阻塞) {不知道该怎么称呼}完成
更进一步, 我们把select轮询抽出来放在一个线程里, 用户线程向其注册相关socket或IO请求,等到数据到达时通知用户线程,则可以提高用户线程的CPU利用率.
这样, 便实现了异步方式
这其实是Reactor设计模式, 如下图
EventHandler抽象类表示IO事件处理器
   get_handle方法获得文件句柄Handle
   handle_event方法实现对Handle的操作
可继承EventHandler对事件处理器的行为进行定制

Reactor类管理EventHandler的注册、删除. handle_events方法实现了事件循环, 其不断调用阻塞函数select, 只要某个文件句柄被激活(可读/写等),select就从阻塞中返回, handle_events接着调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操作。handler_events的伪代码如下
[url=][/url]
Reactor::handle_events() {    while(true) {        sockets = select();        for(socket in sockets) {            get_event_handler(socket).handle_event();        }    }}[url=][/url]

作为功能调用者需要实现的伪代码如下
[url=][/url]
// 继承EventHandler并重写handle_event()方法void UserEventHandler::handle_event() {    if(can_read(socket)) {    // 数据已到达, 那么socket阻不阻塞无所谓    read(socket, buffer);    process(buffer);    }}// 注册实现的EventHandler子类{    Reactor.register(new UserEventHandler(socket));}[url=][/url]

IO多路复用是最常使用的IO模型,因其轮询select的线程会被阻塞, 异步程度还不够“彻底”, 所以常被称为异步阻塞IO

4. 异步IO
真正的异步IO需要操作系统更强的支持。
IO多路复用模型中,数据到达内核后通知用户线程,用户线程负责从内核空间拷贝数据;
而在异步IO模型中,当用户线程收到通知时,数据已经被操作系统从内核拷贝到用户指定的缓冲区内,用户线程直接使用即可。
异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。
Reactor模式中,用户线程向Reactor对象注册事件对应的事件处理器,然后事件触发时Reactor调用事件处理函数。
Proactor模式中,用户线程将AsynchronousOperation(读/写等)、Proactor以及操作完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。
AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步API(读/写等)供用户调用. 当用户线程调用异步API后,便继续执行下一步代码. 而此时AsynchronousOperationProcessor会开启独立的内核线程执行异步操作。
当read请求的数据到达时,由内核负责读取socket中的数据,并写入用户指定的缓冲区中。
异步IO完成时,AsynchronousOperationProcessor将Proactor和CompletionHandler取出,并将IO操作结果和CompletionHandler分发给Proactor,Proactor通知用户线程(即回调先前注册的事件完成处理类的函数handle_event)。
Proactor一般被实现为单例,以便于集中分发操作完成事件。
伪代码如下
[url=][/url]
// 继承CompletionHandler, buffer为用户线程指定的缓冲区void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {    process(buffer);}// 调用异步的read函数{    aio_read(socket, new UserCompletionHandler);}[url=][/url]

相比于IO多路复用,异步IO并不常用,因为目前操作系统对异步IO的支持并不完善,IO多路复用也基本够用. 有很多做法是用IO多路复用模型模拟异步IO(IO事件触发时不直接通知用户线程,而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中)。
JDK7已经支持了AIO, netty采用过又放弃了, 据说是性能并没有多路复用好.



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