大話IO

“曾經(jīng)有一份真誠(chéng)的愛(ài)情放在我面前，但我沒(méi)有珍惜，等我失去的時(shí)候我才后悔莫及，人世間最痛苦的事莫過(guò)于此。”這是電影《大話西游》中的經(jīng)典臺(tái)詞，大圣與紫霞仙子最終還是沒(méi)有有情人成眷屬。然而我們今天介紹的主角-I/O與用戶，二者卻是經(jīng)歷了各種考驗(yàn)，最后終成眷屬了～

那么什么是IO呢？

說(shuō)到IO就得說(shuō)到操作系統(tǒng)Linux，在Linux的世界里，一切都是文件，都是一串二進(jìn)制流，不管是socket、FIFO、管道、終端，全都是文件，全都是流。信息交換的過(guò)程就是對(duì)流進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，也就是IO操作（Input/Output）。而計(jì)算機(jī)世界里有這么多的流，通過(guò)文件描述符就可以知道操作哪個(gè)流了，通常是創(chuàng)建一個(gè)socket套接字就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)文件描述符，所以對(duì)文件描述符的操作也就是對(duì)socket的操作，往里寫(xiě)入數(shù)據(jù)調(diào)用write，讀數(shù)據(jù)調(diào)用read。

在介紹I/O模型之前，我們要給大家先普及兩個(gè)概念：內(nèi)核空間和用戶空間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了讓各個(gè)模塊各干各的事，劃分了不同的地盤(pán)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)采用虛擬存儲(chǔ)器，有32位和64位操作系統(tǒng)，因此尋址地址（虛擬存儲(chǔ)空間）包含4G（2的32次方）、17179869184G（2的64次方）。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，對(duì)上可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間，對(duì)下可以訪問(wèn)底層硬件設(shè)備。為了內(nèi)核安全，保障用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，因此操作系統(tǒng)把虛擬空間劃分為用戶空間和內(nèi)核空間。用戶空間執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，處于用戶態(tài)；通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核執(zhí)行時(shí)，處于內(nèi)核態(tài)。

講完了用戶空間、內(nèi)核空間、用戶態(tài)、內(nèi)核態(tài)，進(jìn)入今天的主題I/O。故事的開(kāi)始是用戶在前端發(fā)起的請(qǐng)求，當(dāng)用戶在前端發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，我們知道的路徑是該請(qǐng)求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給到后端，后端經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)程序調(diào)用、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用等將結(jié)果計(jì)算出來(lái)，再傳遞給到前端展示結(jié)果給用戶。事實(shí)上，這背后還有更復(fù)雜的技術(shù)原理。從整個(gè)軟件系統(tǒng)來(lái)看，除了業(yè)務(wù)程序之外、還包含操作系統(tǒng)、硬件資源，因此整個(gè)用戶請(qǐng)求的處理必定是軟硬件都在參與。整個(gè)協(xié)同的過(guò)程就像人餓了要吃飯一樣，身體接收到餓了的訊息，經(jīng)由大腦處理想吃肉，再通過(guò)眼睛看到食材、雙腿獲取食材、雙手烹飪，經(jīng)過(guò)嘴巴消化之后，反饋給大腦飽了的訊息。

整個(gè)web請(qǐng)求執(zhí)行的過(guò)程如下：

1. 用戶在客戶端發(fā)起請(qǐng)求到服務(wù)器網(wǎng)卡；

2. 服務(wù)器網(wǎng)卡接收到請(qǐng)求后轉(zhuǎn)給內(nèi)核處理；

3. 內(nèi)核根據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的套接字，將請(qǐng)求交給工作在用戶空間的web服務(wù)器進(jìn)程；

4. web服務(wù)器進(jìn)程根據(jù)用戶請(qǐng)求，向內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，申請(qǐng)相應(yīng)資源；

5. 當(dāng)web服務(wù)器進(jìn)程請(qǐng)求的是存放在本地磁盤(pán)上的資源，內(nèi)核會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序連接磁盤(pán)；

6. 內(nèi)核調(diào)用磁盤(pán)，獲取相應(yīng)的資源；

7. 內(nèi)核將資源存放在自己的緩存區(qū)并通知web服務(wù)器進(jìn)程；

8. web服務(wù)器進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用取得資源，并把它復(fù)制到進(jìn)程自己的緩沖區(qū)中；

9. web服務(wù)器進(jìn)程形成響應(yīng)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用再次發(fā)給內(nèi)核響應(yīng)請(qǐng)求；

10. 內(nèi)核將響應(yīng)發(fā)給網(wǎng)卡；

11. 網(wǎng)卡把響應(yīng)結(jié)果傳遞給到用戶。

在整個(gè)請(qǐng)求的執(zhí)行過(guò)程中，有兩次IO操作，第一次是客戶端請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)I/O，第二次是web服務(wù)器請(qǐng)求磁盤(pán)I/O。因此當(dāng)應(yīng)用程序處理用戶請(qǐng)求緩慢時(shí)，運(yùn)維和研發(fā)也會(huì)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)IO和磁盤(pán)IO的情況；監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)包含網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)速度、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接收包數(shù)量、磁盤(pán)讀寫(xiě)速度等指標(biāo)的監(jiān)控。

講完了為什么系統(tǒng)需要I/O，我們?cè)賮?lái)看看I/O有哪些模型？根據(jù)執(zhí)行過(guò)程和通信過(guò)程的不同，IO模型分為阻塞型、非阻塞型、IO復(fù)用型、信號(hào)驅(qū)動(dòng)型IO、異步IO。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是這五個(gè)模型的不同在于等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中這兩個(gè)階段不相同。

阻塞IO，即在IO操作執(zhí)行時(shí)，所有其它相關(guān)的操作都不能進(jìn)行，直到IO操作執(zhí)行完成。當(dāng)在內(nèi)核執(zhí)行IO操作時(shí)，應(yīng)用程序調(diào)用IO的recvform函數(shù)，將應(yīng)用程序調(diào)起，不給它分配CPU時(shí)間片，進(jìn)入阻塞狀態(tài)后直到IO操作結(jié)束才返回結(jié)果；如果系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，那么就一直處理等待狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程就像你在餐館點(diǎn)菜一樣，確認(rèn)好菜單后服務(wù)員會(huì)傳遞給到后廚，在整個(gè)期間內(nèi)你只能待在餐桌，哪里都不能去，處于阻塞等待狀態(tài)，直到菜做好了，上菜后才可以走動(dòng)。

非阻塞IO，即在IO操作執(zhí)行時(shí)，其它的相關(guān)操作也可以進(jìn)行。用戶線程向內(nèi)核發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)，因?yàn)閮?nèi)核執(zhí)行也需要時(shí)間，所以先返回給用戶一個(gè)狀態(tài)值“EWOULDBLOCK”，在操作執(zhí)行過(guò)程期間，用戶線程不斷的輪詢IO請(qǐng)求，直到讀取到數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程就像你在餐館點(diǎn)菜一樣，點(diǎn)好菜后服務(wù)員會(huì)給你個(gè)訂單和號(hào)碼牌，你可以到處走動(dòng)，也可以去問(wèn)廚師菜好了沒(méi)？直到上菜完成.

IO復(fù)用型，即阻塞多個(gè)I/O操作。在阻塞IO模型中，當(dāng)有IO操作進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)程會(huì)被調(diào)起，這樣帶來(lái)的是效率低，因?yàn)橐粋€(gè)線程只能處理一個(gè)套接字的I/O事件。改進(jìn)方法就是調(diào)用select和poll函數(shù)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到有讀或?qū)懖僮鞯腎/O函數(shù)時(shí)，select函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，阻塞多個(gè)I/O操作，直到內(nèi)核監(jiān)聽(tīng)到有數(shù)據(jù)返回時(shí)，select就反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，系統(tǒng)再調(diào)用recvfrom處理數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程就好像在餐館點(diǎn)菜就餐一樣，餐館的客人非常多，但是廚師比較少，廚師一次只能回答一個(gè)客人的問(wèn)題（如菜好了沒(méi)？），當(dāng)有了服務(wù)員的存在后，我們只需要向服務(wù)員點(diǎn)菜、下單、取菜、付費(fèi)就可以了，服務(wù)員就像我們的select函數(shù)，監(jiān)聽(tīng)多個(gè)客人的下單、上菜、買單事件，直到整個(gè)任務(wù)完成。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)型IO，即通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信號(hào)來(lái)處理IO操作，省去了select函數(shù)的阻塞與輪詢。整個(gè)實(shí)現(xiàn)方法是在Socket套接字上安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O，用戶進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，進(jìn)程就會(huì)收到一個(gè)sigio信號(hào)，此時(shí)便可調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程就像在餐館就餐一樣，在餐桌上有智能計(jì)菜儀，隨時(shí)感知做菜的進(jìn)度，當(dāng)有菜做好時(shí)，智能計(jì)菜儀便感知到了，通知服務(wù)員或客人取菜。

異步IO模型，即同時(shí)并行多件事情。用戶進(jìn)程發(fā)起IO操作后，就去做其它的事情了，內(nèi)核接受到用戶進(jìn)程的消息時(shí)，會(huì)立刻返回結(jié)果并同時(shí)等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，再將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)所有的操作都完成時(shí)，內(nèi)核給用戶進(jìn)程發(fā)送信號(hào)告訴它事情已搞定。整個(gè)過(guò)程就像在餐館就餐一樣，客人下單后，廚師直接接單，當(dāng)有菜做好時(shí)，廚師告訴用戶，菜做好了。

在上述我們介紹了五種IO模型，五個(gè)IO模型對(duì)比如下圖所示：

經(jīng)過(guò)本文的講解，大家對(duì)計(jì)算機(jī)世界的IO掌握了嗎？我們的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了九九八十一道關(guān)卡，才最終在電腦、iPad、手機(jī)等各個(gè)終端展現(xiàn)給到用戶，每一條數(shù)據(jù)都不容易，且行且珍惜噢～