BIO：基础阻塞 IO

2024-01-20 00:33:15

深入剖析 Linux 内核五大 IO 模型，助你解锁应用程序性能

简介

在当今的计算世界中，输入/输出 (IO) 操作是至关重要的。它们负责在计算机与外部设备（例如文件、网络和硬件外设）之间交换数据。为了满足不同应用程序的需求和性能要求，Linux 内核提供了丰富的 IO 模型。本文将深入探讨五大经典 IO 模型，包括 BIO、NIO、IO 多路复用、信号驱动 IO 和异步 IO。

BIO：阻塞 IO

BIO（阻塞 IO）是 Linux 中最基本的 IO 模型。它的工作原理很简单：当一个进程发出 IO 请求时，它将被阻塞，直到操作完成。这意味着在 IO 操作期间，进程无法执行任何其他任务。BIO 的优点在于实现简单且开销较低。然而，由于其阻塞性质，它不适用于需要高吞吐量或低延迟的应用程序。

代码示例：

int fd = open("myfile.txt", O_RDWR);
char buf[1024];
read(fd, buf, 1024);

在上面的示例中，read() 系统调用将阻塞，直到从 myfile.txt 中读取 1024 个字节的数据。

NIO：非阻塞 IO

NIO（非阻塞 IO）解决了 BIO 的阻塞问题。在 NIO 中，IO 操作不会阻塞调用进程。相反，进程将立即返回，并且可以继续执行其他任务。当 IO 操作完成时，进程将通过事件通知机制收到通知。NIO 非常适合需要高吞吐量或低延迟的应用程序。然而，其实现比 BIO 更复杂。

代码示例：

int fd = open("myfile.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK);
char buf[1024];
while (1) {
  ssize_t nread = read(fd, buf, 1024);
  if (nread == -1 && errno == EAGAIN) {
    // IO 操作尚未完成，继续执行其他任务
  } else {
    // IO 操作已完成，处理数据
  }
}

在上面的示例中，read() 系统调用将立即返回。如果 IO 操作尚未完成，进程将继续执行其他任务。当 IO 操作完成时，read() 将返回读取的字节数。

IO 多路复用

IO 多路复用（也称为事件驱动 IO）允许单个进程监视多个 IO 源（例如文件符或套接字）。当任何 IO 源准备好进行读写操作时，进程将通过 select、poll 或 epoll 等系统调用收到通知。IO 多路复用非常适合需要同时处理大量 IO 连接的服务器应用程序。

代码示例：

int fd1 = open("myfile1.txt", O_RDWR);
int fd2 = open("myfile2.txt", O_RDWR);
struct pollfd pfds[] = {
  { fd1, POLLIN, 0 },
  { fd2, POLLIN, 0 },
};
int nfds = 2;
while (1) {
  int nready = poll(pfds, nfds, -1);
  for (int i = 0; i < nfds; i++) {
    if (pfds[i].revents & POLLIN) {
      // fd[i] 已准备好进行读操作
    }
  }
}

在上面的示例中，poll() 系统调用将监视 fd1 和 fd2 文件符。当任何一个文件符准备好进行读操作时，poll() 将返回，并通知进程。

信号驱动 IO

信号驱动 IO 使用信号机制来通知进程 IO 操作的完成。当 IO 操作完成时，内核会向进程发送一个信号。进程可以注册一个信号处理程序来处理该信号，并在 IO 操作完成时执行自定义操作。信号驱动 IO 的优点是开销低，但其可移植性和实时性不如其他 IO 模型。

代码示例：

#include <signal.h>

void signal_handler(int signo) {
  // IO 操作已完成，处理数据
}

int main() {
  int fd = open("myfile.txt", O_RDWR);
  signal(SIGIO, signal_handler);
  fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
  fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | FASYNC);
  // IO 操作异步进行
  while (1) {
    // 执行其他任务
  }
}

在上面的示例中，当 IO 操作完成时，内核将向进程发送 SIGIO 信号。进程已注册一个信号处理程序来处理该信号，并在 IO 操作完成时执行自定义操作。

异步 IO

异步 IO 允许进程在不阻塞的情况下发起 IO 操作。与 NIO 类似，当 IO 操作完成时，进程将通过回调函数收到通知。异步 IO 非常适合需要高吞吐量或低延迟的应用程序。然而，其实现比其他 IO 模型更复杂，并且可能需要额外的库支持。

代码示例：

#include <aio.h>

struct aiocb aiocb;
aiocb.aio_fildes = fd;
aiocb.aio_offset = 0;
aiocb.aio_nbytes = 1024;
aiocb.aio_buf = buf;
aio_read(&aiocb);
// IO 操作异步进行
while (1) {
  // 执行其他任务
  if (aio_error(&aiocb) == 0) {
    // IO 操作已完成，处理数据
  }
}

在上面的示例中，aio_read() 系统调用将异步发起 IO 操作。进程可以继续执行其他任务，而无需等待 IO 操作完成。当 IO 操作完成时，进程可以通过 aio_error() 检查错误状态。

选择合适的 IO 模型

选择合适的 IO 模型取决于应用程序的特定需求。对于简单且低吞吐量的应用程序，BIO 可能是最好的选择。对于需要高吞吐量或低延迟的应用程序，NIO 或 IO 多路复用更合适。对于需要同时处理大量 IO 连接的服务器应用程序，IO 多路复用是理想的选择。对于开销敏感或需要实时性的应用程序，信号驱动 IO 可能是最佳选择。

结论

Linux 内核提供了丰富的 IO 模型，每个模型都有其独特的优势和适用场景。了解这些模型的原理和特性至关重要，以便为应用程序选择最佳模型。通过精心选择 IO 模型，应用程序可以最大限度地提高性能、吞吐量和响应能力，从而为用户提供最佳体验。

常见问题解答

1. 哪种 IO 模型最适合高吞吐量应用程序？

对于高吞吐量应用程序，NIO 或 IO 多路复用是最佳选择。

2. 哪种 IO 模型最适合实时应用程序？

对于实时应用程序，信号驱动 IO 是最佳选择。

3. 哪种 IO 模型最适合服务器应用程序？

对于服务器应用程序，IO 多路复用是最佳选择。

4. 哪种 IO 模型最简单实现？

BIO 是最简单实现的 IO 模型。

5. 哪种 IO 模型最复杂实现？