通信模型

2023年 10月 15日 63.9k 0

异步IO模型

简介由POSIX规范定义,应用程序告知内核启动某个操作,并让内核在整个操作(包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区)完成后通知应用程序。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于:信号驱动I/O是由内核通知应用程序何时启动一个I/O操作,而异步I/O模型是由内核通知应用程序I/O操作何时完成

优点异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性,让 I/O 操作与计算重叠

缺点要实现真正的异步 I/O,操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O,而在 Linux 系统下,Linux2.6才引入,目前 AIO 并不完善,因此在 Linux 下实现高并发网络编程时都是以 IO复用模型模式为主

信号驱动IO模型

简介在信号驱动式I/O模型中,应用程序使用套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时,进程会收到一个SIGIO信号,可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据

比喻鱼竿上系了个铃铛,当铃铛响,就知道鱼上钩,然后可以专心玩手机

优点线程并没有在等待数据时被阻塞,可以提高资源的利用率

缺点

  • 信号I/O在大量IO操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知
  • 信号驱动I/O尽管对于处理UDP套接字来说有用,即这种信号通知意味着到达一个数据报,或者返回一个异步错误。但是,对于TCP而言,信号驱动的I/O方式近乎无用,因为导致这种通知的条件为数众多,每一个来进行判别会消耗很大资源,与前几种方式相比优势尽失

多路复用IO模式

简介在I/O复用模型中,会用到select或poll函数或epoll函数(Linux2.6以后的内核开始支持),这两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,才真正调用I/O操作函数

比喻放了一堆鱼竿,在岸边一直守着这堆鱼竿,直到有鱼上钩

优点可以基于一个阻塞对象,同时在多个描述符上等待就绪,而不是使用多个线程(每个文件描述符一个线程),这样可以大大节省系统资源

缺点当连接数较少时效率相比多线程+阻塞I/O模型效率较低,可能延迟更大,因为单个连接处理需要2次系统调用,占用时间会有增加

非阻塞IO模型

简介在非阻塞式I/O模型中,应用程序把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核,当所请求的I/O操作无法完成时,不要将进程睡眠,而是返回一个错误,应用程序基于I/O操作函数将不断的轮询数据是否已经准备好,如果没有准备好,继续轮询,直到数据准备好为止

比喻边钓鱼边玩手机,隔会再看看有没有鱼上钩,有的话就迅速拉杆

优点不会阻塞在内核的等待数据过程,每次发起的I/O请求可以立即返回,不用阻塞等待,实时性较好

缺点轮询将会不断地询问内核,这将占用大量的CPU时间,系统资源利用率较低,所以一般Web服务器不使用这种I/O模型

阻塞IO模型

简介在阻塞式I/O模型中,应用程序在从调用recvfrom开始到它返回有数据报准备好这段时间是阻塞的,recvfrom返回成功后,应用进程开始处理数据报

比喻一个人在钓鱼,当没鱼上钩时,就坐在岸边一直等

优点程序简单,在阻塞等待数据期间进程/线程挂起,基本不会占用CPU资源

缺点每个连接需要独立的进程/线程单独处理,当并发请求量大时为了维护程序,内存、线程切换开销较大,这种模型在实际生产中很少使用

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