IO与操作系统关系(一)

1.liunx的内核态和用户态

         1.1).用户空间与内核空间

          liunx操心系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享

。空间分配如下图所示：

　　有了用户空间和内核空间，整个linux内部结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是：硬件-->内核空间-->用户空间。如下图所示：

 

　1.2.需要注意的细节问题：

     1.2.1) 内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。 

     1.2.2) Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用。

　  1.2.3) 内核态与用户态：

       1.当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

      2.当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。　

        

     1.3) 进程上下文和中断上下文

       当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源，以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

 

2.  IO分类

详细参考这篇博客： IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞

 

2.1 阻塞blocking和非阻塞non-blocking IO，同步synchronous IO和异步asynchronous IO的区别在哪?

    下面先说明一下四种io:(前3种属于同步IO,第4种属于异步IO,同步与异步IO最大区别在于进程是否会block)

     blocking IO        阻塞IO 

     nonblocking IO   非阻塞IO
     IO multiplexing    非阻塞多路复用IO
     asynchronous IO 异步IO

    对于一个network IO 会经历两个阶段，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)：1 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready) 2.将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

2.2 blocking IO 阻塞IO 
在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

1.当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。(用户态切换到内核态-准备数据)

2.对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达，这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。(用户态-阻塞，内核态-准备数据中)

3.当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果(用户态-阻塞，内核态-拷贝数据到用户进程)

4.用户进程才解除block的状态，重新运行起来。(用户态-解除阻塞，内核态-数据返回完毕)
特点：blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

 

2.3 non-blocking IO 非阻塞IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。java代码中修改如下：

服务端：

// 获得一个ServerSocket通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);

 客户端：

// 获得一个Socket通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
channel.configureBlocking(false);

 详细流程如下：

1.当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。(用户态 不阻塞------内核态-准备数据中)

2.从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是用户进程马上获取结果，如果结果是error，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。(用户态 不阻塞-------内核态-准备数据中)

3.一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。(用户态 进入阻塞-----内核态-拷贝数据回进程)
特点：用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

 

2.4 IO multiplexing 多路复用IO

IO multiplexing使用select，epoll机制，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程(通过listener监听)。它的流程如图：

1.当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。(用户态-阻塞，内核态-准备数据中并通知)

2.这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。(用户态-阻塞，内核态-拷贝数据会用户进程)

特点：这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

 

2.5 Asynchronous I/O 异步IO

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

 

2.6 各个IO Model的比较如图所示：

经过上面的介绍，会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

 

 

 

   

 

评论

1 楼 carlosfu 2016-01-06  

坐等