嵌入式系统原理与技术课件：Chap6 linux IO-1.ppt

1、6C H A P T E RLinux IO目录q同步/异步、阻塞/非阻塞的概念qLinux IO 模型n1 同步与异步u同步：一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。 要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。同步/异步、阻塞/非阻塞n异步：不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。 至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。n消息通知消息通知 当一个同步调用发出后，调用者要一直等待返回消息

2、（结果）通知后，才能进行后续的执行；当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到返回消息（结果）。 实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。n去银行办理业务，可能会有两种方式： 选择排队等候； 另种选择取一个小纸条上面有我的号码，等到排到我这一号时由柜台的人通知我轮到我去办理业务了；(排队等候)就是同步等待消息通知，也就是我要一直在等待银行办理业务情况；(等待别人通知)就是异步等待消息通知。 在异步消息处理中，等待消息通知者(在这个例子中就是等待办理业务的人)往往注册一个回调机制，在所等待的事件被触发时由触发机制(在这里是柜台的人)通过某种机制(在这里是写在小纸条上的

3、号码，喊号)找到等待该事件的人。2 阻塞与非阻塞阻塞与非阻塞n 阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。n 阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。n阻塞 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，一直处于等待消息通知，不能够执行其他业务。函数只有在得到结果之后才会返回。 非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。系统的线程切换增加阻塞调用和同步调用n对于同步调用来说，很多时候当前线程可能还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已，此时，这个线程可能也会处理其他的消息。n对

4、于阻塞调用来说，则当前线程就会被挂起等待当前函数返回；n同步阻塞、同步非阻塞：n 如果这个线程在等待当前函数返回时，仍在执行其他消息处理，那这种情况就叫做同步非阻塞；n如果这个线程在等待当前函数返回时，没有执行其他消息处理，而是处于挂起等待状态，那这种情况就叫做同步阻塞；n同步的实现方式会有两种：同步阻塞、同步非阻塞； 同理，异步也会有两种实现：异步阻塞、异步非阻塞；进程切换进程切换n保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。n更新PCB信息。n把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。n选择另一个进程执行，并更新其PCB。n更新内存管理的数据结构。n恢复处理机上下文。注：

5、总而言之就是很耗资源文件描述符文件描述符fdn文件描述符（File descriptor）是用于表述指向文件的引用的抽象化概念。n文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。n在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。缓存缓存 IOn缓存 IO 又被称作标准 IO，大多数文件系统的默认 IO 操作都是缓存 IO。n在 Linux 的缓存 IO 机制中，操作系统会将

6、IO 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。Linux IO模型模型n对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。n当一个read操作发生时，它会经历两个阶段： 第一阶段：等待数据准备 第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中n对socket流， 第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。 第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。 网络应用需要处理的

7、无非就是两大类问题，网络IO，数据计算。相对于后者，网络IO的延迟，给应用带来的性能瓶颈大于后者。Linux IO的模型：n同步模型（synchronous IO）n阻塞IO（blocking IO）n非阻塞IO（non-blocking IO）n多路复用IO（multiplexing IO）n信号驱动式IO（signal-driven IO）n异步IO（asynchronous IO） signal driven IO在实际中并不常用n基本 Linux IO 模型的简单矩阵n同步阻塞同步阻塞 IO（blocking IO） 同步阻塞 IO 模型是最常用的一个模型，也是最简单的模型。在linu

8、x中，默认情况下所有的socket都是blocking。它符合人们最常见的思考逻辑。 阻塞就是进程 被 休息, CPU处理其它进程去了。n调用recv()/recvfrom()函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程 2.1.3 流程描述流程描述blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被blockn用户进程调用了recv()/recvfrom()这个系统调用：n第一个阶段： kernel准备数据这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。n第二个阶段：当kernel一直等到数据

9、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，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。blocking IO的特点n优点： 能够及时返回数据，无延迟； 对内核开发者来说这是省事；n缺点： 对用户来说处于等待就要付出性能的代价；n同步非阻塞同步非阻塞 IO（nonblocking IO）n同步非阻塞就是 “每隔一会儿” 的轮询（polling）方式。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 IO 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。n网络同步非阻塞同步非阻塞

10、 IO 在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，”非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 被 CPU光顾”。 轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。 轮询：非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。 n在linux下，non-blocking socket读操作流程n当用户

11、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。n从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。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。nonblocking IO的特点：用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有同步非阻塞方式相比同步阻塞方式：n优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括

12、提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。n缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。nIO 多路复用（多路复用（ IO multiplexing） 同步非阻塞方式需要不断主动轮询，消耗大量的CPU时间;而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，需要循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。 “IO 多路复用” UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）。

13、nI/O复用模型会用到select、poll、epoll系统调用，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时（注意不是全部数据可读或可写），才真正调用I/O操作函数。nselect调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于前者可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。nselect或p

14、oll调用之后，会阻塞进程，与blocking IO阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。n如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。也可以理解为非阻塞吧多路复用既然可以处理多个IO，也就带来了新的问题，多个IO之间的顺序变得不确定了，当然也可以针对不同的编号。nIO multiplexing也称这种IO方式为event driven IO。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。n基本原理：当用户进程调用了select /poll/e

15、poll，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。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。n多路复用的特点 通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。 对于监视的方式，又可以分为 select， poll， epoll三种方式。nIO multiplexing和 blocking IO并没有太大的不同，事实上，还更差一些。n

16、因为IO multiplexing需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。nselect的优势在于它可以同时处理多个connection。n在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。n所以IO多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，

17、而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。n前面三种IO模式，在用户进程进行系统调用的时候，他们在等待数据到来的时候，处理的方式不一样，直接等待，轮询，select或poll轮询，两个阶段过程：n第一个阶段有的阻塞，有的不阻塞，有的可以阻塞又可以不阻塞。n第二个阶段都是阻塞的。n从整个IO过程来看，他们都是顺序执行的，因此可以归为同步模型(synchronous)。都是进程主动等待且向内核检查状态。n高并发的程序一般使用同步非阻塞方式而非多线程 + 同步阻塞方式。n高并发的情况下，为每个任务（用户请求）创建一个进程或线程的开销非常大。而同步非阻塞方式可以把多个 IO 请求丢到后台

18、去，这就可以在一个进程里服务大量的并发 IO 请求。n信号驱动式信号驱动式IO（signal-driven IO）n异步非阻塞异步非阻塞 IO（asynchronous IO） 相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuvn用户进程发起aio_read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。n从kernel的角度，当它

19、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或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 IO 处理过程，告诉它read操作完成了。nLinux 中， “信号”通知的方式： 1）如果这个进程正在用户态忙着做别的事（例如在计算两个矩阵的乘积），那就强行打断之，调用事先注册的信号处理函数，这个函数可以决定何时以及如何处理这个异步任务。由于信号处理函数是突然闯进来的，因此跟中断处理程序一样，有很多事情是不能做的，因此保险

20、起见，一般是把事件 “登记” 一下放进队列，然后返回该进程原来在做的事。 2）如果这个进程正在内核态忙着做别的事，例如以同步阻塞方式读写磁盘，那就只好把这个通知挂起来了，等到内核态的事情忙完了，快要回到用户态的时候，再触发信号通知。 3）如果这个进程现在被挂起了，例如无事可做 sleep 了，那就把这个进程唤醒，下次有 CPU 空闲的时候，就会调度到这个进程，触发信号通知。nLinux 的异步 IO（AIO）支持是 2.6.22 才引入的，还有很多系统调用不支持异步 IO。Linux 的异步 IO 最初是为数据库设计的，因此通过异步 IO 的读写操作不会被缓存或缓冲，这就无法利用操作系统的缓存与缓冲机制。n同步阻塞模型需要在 IO 操作开始时阻塞应用程序。这意味着不可能同时重叠进行处理和 IO 操作。n同步非阻塞模型允许处理和 IO 操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 IO 操作的状态。n异步非阻塞 IO 了，它允许处理和 IO 操作重叠进行，包括 IO 操作完成的通知。