I/O模型：阻塞、非阻塞 & 同步、异步

 

这篇文章主要总结下这几个概念，前几天看到微博里在讨论，当时也有点搞不清楚，昨天在看到Reactor和Proactor模式的时候，又提到相关概念，索性搞搞清楚，写个总结。

 

《Unix网络编程卷1：套接字联网API》（下面称为卷1）第6章对Unix I/O模型有5种划分：阻塞式I/O模型，非阻塞式I/O模型，I/O复用模型，信号驱动式I/O，异步I/O模型。这里我们只关心跟我们主题相关的四类：

阻塞式I/O模型：应用进程调用I/O操作时阻塞，只有等待要操作的数据准备好，并复制到应用进程的缓冲区中才返回。

非阻塞式I/O模型：当应用进程要调用的I/O操作会导致该进程进入阻塞状态时，该I/O调用返回一个错误，一般情况下，应用进程需要利用轮询的方式来检测某个操作是否就绪。数据就绪后，实际的I/O操作会等待数据复制到应用进程的缓冲区中以后才返回。

I/O复用模型：阻塞发生在select/poll的系统调用上，而不是阻塞在实际的I/O系统调用上。select/poll发现有数据就绪后，通过实际的I/O操作将数据复制到应用进程的缓冲区中。

异步I/O模型：应用进程通知内核开始一个异步I/O操作，并让内核在整个操作（包含将数据从内核复制到应该进程的缓冲区）完成后通知应用进程。

 

对于上面的分类，卷1给出了一个很形象的图，如下：

 

从上面图中可以看出，卷1中把I/O操作分为两个阶段，第一阶段等待数据可用，第二阶段将数据从内核复制到用户空间。前三种模型的区别在于第一阶段（阻塞式I/O阻塞在I/O操作上，非阻塞式I/O轮询，I/O复用阻塞在select/poll或者epoll上），第二阶段都是一样的，即这里的阻塞不阻塞体现在第一阶段，从这方面来说I/O复用类型也可以归类到阻塞式I/O，它与阻塞式I/O的区别在于阻塞的系统调用不同。而异步I/O的两个阶段都不会阻塞进程。

 

我们再来看看同步I/O与异步I/O（AIO），根据卷1的说明，同步I/O与异步I/O是由POSIX定义的两个术语：

同步I/O操作：实际的I/O操作将导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

异步I/O操作：实际的I/O操作不导致请求进程阻塞。

由此定义来看，前面分类中的前三种：阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用都属于同步I/O，因为第二阶段的数据复制都是阻塞的。而只有前面定义的异步I/O模型与这里的异步I/O操作吻合。

由异步I/O的定义来看，操作系统必须提供一种方式，在应用进程发出I/O操作后，可以在后台（而不是当前应用进程）完成数据等待和数据复制的工作，并最终通知应用进程I/O操作已经完成。

 

在Linux下有两种称为AIO的的接口。一个是由glibc提供，是由多线程来模拟：数据等待和数据复制的工作，由glibc创建线程来完成。数据复制完成后，执行I/O操作的线程通过回调函数的方式通知应用线程（严格来讲，这种方式不能算真正的AIO，因为用来执行实际I/O操作的线程还是阻塞在I/O操作上，只不过从应用进程的角度来看是异步方式的）。另一种是由内核提供的Kernel AIO，可以做到真正的内核异步通知（这种方式对读写方式，写入大小及偏移都有严格的要求），并且不支持网络I/O[1][2]，其实现原理本质上与下面要介绍的IOCP类似。

 

还有一种称为IOCP（Input/Output Completion Port）的AIO。从实现原理上讲，IOCP做完I/O操作后，将结果封装成完成包（completion packet）入队到完成端口的队列（FIFO）中去，应用线程从队列中读取到完成消息后，处理后续逻辑。从这方面来讲，IOCP类似生产者-消费者模型：生产者为内核，收到应用线程的I/O请求后，等待数据可用，并将结果数据复制到应用线程指定的缓冲区中后，然后入队一个完成消息；消费者为应用线程，一开始向内核提交I/O请求，并在队列上等待内核的完成消息（只不过，IOCP对同时可运行的消费者有限制），收到完成消息后，进行后续处理[3]。

 

从上面对Linux kernel AIO以及IOCP的介绍可以看出，这两种异步I/O操作的完成通知是通过入队消息到消息队列的方式来完成的，应用进程必须阻塞在消息队列上来等待完成消息（别被这里的阻塞混淆，AIO定义中的阻塞是指实际的I/O操作）。

 

Reactor与Proactor模式就分别对应同步I/O和异步I/O[4]：Reactor是在事件就绪时通知应用进程，应用进程需要完成实际的I/O操作；而Proactor是在I/O操作已经完成的时候（数据就绪，并且已经拷贝到应用进程的缓冲区中，实际的I/O操作由操作系统来完成）通知应用进程。

 

AIO在服务器设计方面很少被用到[5]，更多的使用在本地I/O方面[6]。

 

总结：

其实要搞清楚这些概念，主要是搞清楚这些概念描述的主体是什么：

阻塞或者非阻塞I/O主要是指I/O操作第一阶段的完成方式，即数据还未准备好的时候，应用进程的表现，如果这里进程挂起，则为阻塞I/O，否则为非阻塞I/O。

 

同步或者异步I/O主要是指实际I/O操作的完成方式，同步意味着由应用进程发起并完成I/O操作，I/O操作未完成前，会导致应用进程挂起；异步意味着应用进程只发出I/O请求，并接收完成通知，实际I/O操作由系统完成，I/O操作进行时，应用进程可以继续工作。

 

参考资料：

1. http://cnodejs.org/topic/4f16442ccae1f4aa270010a7/

2. http://lse.sourceforge.net/io/aio.html

3. http://60.251.1.52/taiwan/technet/sysinternals/information/iocompletionports.mspx

4. http://www.artima.com/articles/io_design_patterns2.html

5. http://www.kegel.com/c10k.html#aio

6. http://blog.yufeng.info/archives/741

评论

1 楼 liusu 2013-09-04  

非常的清楚。。

AIO适用于CPU敏感的应用程序？