I/O模型

基础知识

1. 文件描述符 fd
Linux的内核将所有外部设备都可以看做一个文件来操作。那么我们对与外部设备的操作都可以看做对文件进行操作。我们对一个文件的读写，都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个file descriptor（简称：fd,文件描述符）；描述符就是一个数字，指向内核中一个结构体（文件路径，数据区，等一些属性） ； 那么应用程序对文件的读写就通过对描述符的读写完成。

2. 系统调用是如何完成一个I/O操作的呢？
linux将内存分为内核区，用户区； linux内核给我们管理所有的硬件资源，应用程序通过调用系统调用和内核交互，达到使用硬件资源的目的； 应用程序通过系统调用read发起一个读操作；这时候内核创建一个文件描述符，并通过驱动程序向硬件发送读指令，并将读的的数据放在这个描述符对应结构体的缓存区。但这个结构体是在内核内存区的。需要将这个数据读到用户区。这样完成了一次读操作；
    
3. IO设备和内存之间的数据传输方式：直接内存访问 DMA 
CPU向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，DMA控制器通过系统总线来传输数据，传送完毕再通知CPU。

4.什么是IO？
根据操作设备不同分为：内存IO 网络IO 磁盘IO 等等。内存IO相比后两种足够的快，一般我们只关注后两种IO。
IO的操作需要由内核系统调用来完成，同时系统调用显然需要由CPU来调度，CPU速度非常快，这就导致CPU不得不浪费时间来等待慢速的IO操作。
通过多进程等方式来充分利用空闲的CPU资源，但是还是希望能够让CPU花费足够少的时间在IO操作调度上，这样就可以有更多的CPU时间来完成更多的IO操作。
解决IO的问题，简单总结下就是  如何让高速的CPU和慢速的IO设备更好地协调工作 的问题。


I/O模型
1. 同步阻塞I/O
   线程阻塞，知道IO就绪才调用IO
2. 同步非阻塞I/O
   进行调用时，如果IO没有就绪，返回错误而非阻塞线程，应用程序循环调用知道IO操作完成
3. 多路复用 (多路I/O就绪通知）
   内核提供系统调用，检查有哪些fd已经就绪，已就绪的fd进行数据复制。
   为了解决阻塞IO的问题，出现了IO多路复用模型。多路复用就是用单独的线程（内核级的）来统一等待所有的的socket上的数据，一当某个socket上有数据后，就启用用户线程来copy数据。
   - select
     优势：支持各个平台
     缺点：单进程能只能监控fd限制1024；随着fd的增大复制的开销大；对非活跃状态的TCP，一样会被扫描。
   - poll
     和select本质一样，只是fd限制没有了
   - epoll
     epoll基于时间的就绪通知方式。epoll时间通过epoll_ctl()来注册每个文件描述符，一旦某个fd就绪时，内核会回调，激活。
     使用mmap机制。
4. I/O信号驱动
    当fd变成就绪状态时，SIGIO会发信号通知用户进程。（只通知一次）
    SIGIO是linux2.4下最好的多路IO就绪通知方法。
    缺点: 代表事件的信号由内核的事件队列来维护，按照顺序通知，可能会过期，队列长度有限制。
5. 异步I/O (AIO)
   用户进程直接系统调用（aio_read等），有内核进程去处理数据IO，如果数据准备好，内核进程还要把数据拷贝到用户进程，然后通知用户进程，用户进程按照设定的入口函数，去处理异步调用结果，它的异步请求已完成。
    所以异步IO其实不需要关注IO的，都是系统内核来解决的。