【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)9——Linux I/O模型分析并進來類比

前面兩篇介紹按鍵的文章，無論是用GPIO來讀取，還是用中斷的方式，其應用程序通過循環(huán)讀取的方式獲取按鍵值，都會使得CPU的占用率很高。本篇先來介紹Linux中幾種的I/O模型，以后使用這類方式進行按鍵值的讀取，可以極大降低CPU的使用率。

1 Linux中的I/O模型

這里以網(wǎng)絡I/O為例進行分析，網(wǎng)絡IO的本質(zhì)是socket的讀取，socket在linux系統(tǒng)被抽象為流，對于一次IO訪問，以read為例，當一個read操作發(fā)生時，它會經(jīng)歷兩個階段：

等待數(shù)據(jù)準備 (Waiting for the data to be ready)

將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)

網(wǎng)絡I/O的模型，可以分為五種，這里先分類列出：

2 五種I/O模型分析

2.1 阻塞式I/O模型

阻塞式I/O模型是最常用、最簡單的模型。阻塞就是進程被休息, CPU處理其它進程去了。

應用程序進行recefrom系統(tǒng)調(diào)用，操作系統(tǒng)收到recefrom系統(tǒng)調(diào)用請求，經(jīng)過兩個階段：

等待數(shù)據(jù)準備好

內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復制到用戶緩沖區(qū)

這兩個階段完成后調(diào)用返回，應用程序解除阻塞。

2.2 非阻塞式I/O模型

非阻塞就是輪詢的方式，在這種模型中， I/O操作不會立即完成，recefrom操作可能會返回一個錯誤代碼，說明這個命令不能立即滿足。

對于第一個階段：

等待數(shù)據(jù)準備好

在這個階段系統(tǒng)調(diào)用會立刻返回一個錯誤狀態(tài)，不會阻塞，應用程序需要不斷輪詢，直到內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準備好

對于第二個階段：

內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)

這個階段應用程序的調(diào)用會被阻塞，直到拷貝完成，應用程序的系統(tǒng)調(diào)用返回。

2.3 I/O復用模型

由于非阻塞I/O方式需要不斷輪詢，會消耗大量的CPU時間，而后臺又可能有多個任務在同時輪詢，為此，人們就想到了一種方式：循環(huán)查詢多個任務的完成狀態(tài)，只要有任何一個任務完成，就去處理它。

IO多路復用有兩個特別的系統(tǒng)調(diào)用select、poll。

select可以等待多個socket，能實現(xiàn)同時對多個IO端口進行監(jiān)聽，當其中任何一個socket的數(shù)據(jù)準好了，就能返回進行可讀，然后進程再進行recvform系統(tǒng)調(diào)用，將數(shù)據(jù)由內(nèi)核拷貝到用戶進程，這個過程是阻塞的。

2.4 信號驅(qū)動式I/O模型

應該程序進行Read系統(tǒng)調(diào)用，進程繼續(xù)運行不會阻塞，立即返回，等待內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準備好后，通過SIGIO信號通知應用程序，應用程序再進行Read系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，調(diào)用完成。

2.5 異步I/O模型

相對于同步IO，異步IO不是順序執(zhí)行。用戶進程進行aio_read系統(tǒng)調(diào)用之后，無論內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準備好，都會直接返回給用戶進程，然后用戶態(tài)進程可以去做別的事情。等到socket數(shù)據(jù)準備好了，內(nèi)核直接復制數(shù)據(jù)給進程，然后從內(nèi)核向進程發(fā)送通知。IO兩個階段，進程都是非阻塞的。

3 模型對比

3.1 阻塞I/O與非阻塞I/O對比

簡單理解為需要做一件事能不能立即得到返回應答，如果不能立即獲得返回，需要等待，那就阻塞了，否則就可以理解為非阻塞。詳細區(qū)別如下圖所示：

3.2 同步I/O與異步I/O對比

實際上同步與異步是針對應用程序與內(nèi)核的交互而言的。

同步過程中進程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否完成。

異步過程中進程觸發(fā)IO操作以后，直接返回，做自己的事情，IO交給內(nèi)核來處理，完成后內(nèi)核通知進程IO完成。

同步與異步如下圖所示：

對于Liunx的五種I/O模型，其實主要在等待數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)復制這兩個時間段不同。

4 各種I/O模型的生活場景式類比

4.1 類比1-飯店點菜

我們?nèi)ゲ蛷d吃飯，會經(jīng)過以下幾個步驟：首先根據(jù)菜單點菜，然后等待廚房準備好，接著服務員上菜。在這個場景中，等待廚房準備菜肴等同于等待數(shù)據(jù)，服務員上菜等同于將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復制到用戶空間，你就是用戶態(tài)進程了，服務員和飯店看作是內(nèi)核態(tài)的進程。

阻塞式I/O模型：只點一個菜，然后在餐桌上開始等待，在這個過程中什么事都不干，等服務員把菜上到桌子上之后才開始大快朵頤。

非阻塞式I/O模型：只點一個菜，然后開始等待，啥事都不做，等了一會兒然后就去問服務員，“我的菜好了嗎？”，沒好接著等待，過了一會兒然后又跑去問....重復這個過程，直到服務員說“親，你的菜好了，我現(xiàn)在給您送桌上去”，然后你坐在桌子上，等待服務員把飯菜送到你的餐桌上，才開始吃飯。

I/O復用模型：你點了很多菜，然后開始等待，某個時刻其中一個菜或者多個菜廚房里同時好了，服務員跑過來說，“親，您的有些菜好了，要現(xiàn)在上桌么？”， 你回答，現(xiàn)在就上，于是服務員上一個菜（服務員一次只能上一個菜），你就吃完一個，上一個你就吃完一個。。。

信號驅(qū)動式I/O模型：只點一個菜，然后給服務員留下手機，告訴他菜準備好了打個電話給你，先不要上菜，然后你就出去玩耍了，等到菜好了，服務員手機通知你，你立馬回到了餐廳，對服務員說“你現(xiàn)在可以上菜了”，于是你在餐桌上等待服務員把菜送上來，然后吃飯。

異步I/O模型：只點一個菜，然后給服務員留下手機，告訴他菜準備好了先上菜，菜上桌了打電話給你，然后你就出去玩耍了，等到菜上桌了，服務員手機通知你，你立馬回到了餐桌，開始吃飯。

該例子出自: https://segmentfault.com/a/1190000016359495

4.2 類比2-釣魚

有A，B，C，D四個人在釣魚。

阻塞式I/O模型：A用的是最老式的魚竿，所以呢，得一直守著，等到魚上鉤了再拉桿；

非阻塞式I/O模型：B的魚竿有個功能，能夠顯示是否有魚上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會再看看有沒有魚上鉤，有的話就迅速拉桿；

I/O復用模型：C用的魚竿和B差不多，但他想了一個好辦法，就是同時放好幾根魚竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說魚上鉤了，它就將對應的魚竿拉起來；

異步I/O模型：D是個有錢人，干脆雇了一個人幫他釣魚，一旦那個人把魚釣上來了，就給D發(fā)個短信。

該例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

4.3 類比3-銀行存錢匯款

阻塞式I/O模型：你去一個銀行柜臺存錢。首先，你會將存錢的單子填好，交給柜員，之后，你就坐在柜臺前等。柜員辦好以后會給你一個回執(zhí)，表示辦好了，然后你就可以拿著回執(zhí)干其它的事了。注意，這時如果你馬上去查賬，存的錢已經(jīng)打到你的賬戶上了。

非阻塞式I/O模型：這次不是去銀行存錢，而是去銀行匯款。同樣的，你也需要填寫匯款單然后交給柜員，柜員進行一些簡單的手續(xù)處理就能夠給你回執(zhí)。但是，你拿到回執(zhí)并不意味著錢已經(jīng)打到了對方的賬上。事實上，一般匯款的周期大概是24個小時左右，如果你要以存錢的模式來匯款的話，意味著你需要在銀行等24個小時，這顯然是不現(xiàn)實的。

I/O復用模型：比如說一個銀行柜臺，現(xiàn)在有10個人想存錢。這10個人都填好存款單，然后都提交給柜臺，提交完之后所有的10個人就在銀行大廳等待。這時候會專門有個人，他會了解存款單處理的情況，一旦有存款單處理完畢，他會將回執(zhí)交給相應的正在大廳等待的人，這個拿到回執(zhí)的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的這個專人，就對應于select函數(shù)。

異步I/O模型：現(xiàn)在某銀行新開通了一項存錢業(yè)務。用戶之需要將存款單交給柜臺，然后無需等待就可以離開了。柜臺辦好以后會給用戶發(fā)送一條短信，告知交易成功。這樣用戶不需要在柜臺前進行長時間的等待，同時，也能夠得到確切的消息知道交易完成。

該例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/4270633

5 總結(jié)

本篇介紹了Linux中的五種I/O模型：阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O復用模型、信號驅(qū)動式I/O模型、異步I/O模型，并通過生活中實際的場景進來類比。