文件 I/O



文件的读写方式各有千秋，对于文件的 I/O 分类也非常多，常见的有



• 缓冲与非缓冲 I/O

• 直接与非直接 I/O

• 阻塞与非阻塞 I/O VS 同步与异步 I/O



接下来，分别对这些分类讨论讨论。



缓冲与非缓冲 I/O



文件操作的标准库是可以实现数据的缓存，那么根据「是否利用标准库缓冲」，可以把文件 I/O 分为缓冲 I/O 和非缓冲 I/O：

• 缓冲 I/O，利用的是标准库的缓存实现文件的加速访问，而标准库再通过系统调用访问文件。

• 非缓冲 I/O，直接通过系统调用访问文件，不经过标准库缓存。



这里所说的「缓冲」特指标准库内部实现的缓冲。



比方说，很多程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容，其实就是被标准库暂时缓存了起来，这样做的目的是，减少系统调用的次数，毕竟系统调用是有 CPU 上下文切换的开销的。



直接与非直接 I/O



我们都知道磁盘 I/O 是非常慢的，所以 Linux 内核为了减少磁盘 I/O 次数，在系统调用后，会把用户数据拷贝到内核中缓存起来，这个内核缓存空间也就是「页缓存」，只有当缓存满足某些条件的时候，才发起磁盘 I/O 的请求。



那么，根据是「否利用操作系统的缓存」，可以把文件 I/O 分为直接 I/O 与非直接 I/O：



• 直接 I/O，不会发生内核缓存和用户程序之间数据复制，而是直接经过文件系统访问磁盘。

• 非直接 I/O，读操作时，数据从内核缓存中拷贝给用户程序，写操作时，数据从用户程序拷贝给内核缓存，再由内核决定什么时候写入数据到磁盘。



如果你在使用文件操作类的系统调用函数时，指定了 O_DIRECT 标志，则表示使用直接 I/O。如果没有设置过，默认使用的是非直接 I/O。



如果用了非直接 I/O 进行写数据操作，内核什么情况下才会把缓存数据写入到磁盘？



以下几种场景会触发内核缓存的数据写入磁盘：

• 在调用 write 的最后，当发现内核缓存的数据太多的时候，内核会把数据写到磁盘上；

• 用户主动调用 sync，内核缓存会刷到磁盘上；

• 当内存十分紧张，无法再分配页面时，也会把内核缓存的数据刷到磁盘上；

• 内核缓存的数据的缓存时间超过某个时间时，也会把数据刷到磁盘上；



阻塞与非阻塞 I/O VS 同步与异步 I/O



为什么把阻塞 / 非阻塞与同步与异步放一起说的呢？因为它们确实非常相似，也非常容易混淆，不过它们之间的关系还是有点微妙的。



先来看看阻塞 I/O，当用户程序执行 read ，线程会被阻塞，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read 才会返回。



注意，阻塞等待的是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程。过程如下图：





知道了阻塞 I/O ，来看看非阻塞 I/O，非阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，可以继续往下执行，此时应用程序不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲区，read 调用才可以获取到结果。过程如下图：





注意，这里最后一次 read 调用，获取数据的过程，是一个同步的过程，是需要等待的过程。这里的同步指的是内核态的数据拷贝到用户程序的缓存区这个过程。



举个例子，访问管道或 socket 时，如果设置了 O_NONBLOCK 标志，那么就表示使用的是非阻塞 I/O 的方式访问，而不做任何设置的话，默认是阻塞 I/O。



应用程序每次轮询内核的 I/O 是否准备好，感觉有点傻乎乎，因为轮询的过程中，应用程序啥也做不了，只是在循环。



为了解决这种傻乎乎轮询方式，于是 I/O 多路复用技术就出来了，如 select、poll，它是通过 I/O 事件分发，当内核数据准备好时，再以事件通知应用程序进行操作。



这个做法大大改善了应用进程对 CPU 的利用率，在没有被通知的情况下，应用进程可以使用 CPU 做其他的事情。



下图是使用 select I/O 多路复用过程。注意，read 获取数据的过程（数据从内核态拷贝到用户态的过程），也是一个同步的过程，需要等待：





实际上，无论是阻塞 I/O、非阻塞 I/O，还是基于非阻塞 I/O 的多路复用都是同步调用。因为它们在 read 调用时，内核将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，过程都是需要等待的，也就是说这个过程是同步的，如果内核实现的拷贝效率不高，read 调用就会在这个同步过程中等待比较长的时间。



而真正的异步 I/O 是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程都不用等待。



当我们发起 aio_read 之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个拷贝过程同样是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。过程如下图：





下面这张图，总结了以上几种 I/O 模型：





在前面我们知道了，I/O 是分为两个过程的：

1. 数据准备的过程

2. 数据从内核空间拷贝到用户进程缓冲区的过程



阻塞 I/O 会阻塞在「过程 1 」和「过程 2」，而非阻塞 I/O 和基于非阻塞 I/O 的多路复用只会阻塞在「过程 2」，所以这三个都可以认为是同步 I/O。



异步 I/O 则不同，「过程 1 」和「过程 2 」都不会阻塞。



用故事去理解这几种 I/O 模型



举个你去饭堂吃饭的例子，你好比用户程序，饭堂好比操作系统。



阻塞 I/O 好比，你去饭堂吃饭，但是饭堂的菜还没做好，然后你就一直在那里等啊等，等了好长一段时间终于等到饭堂阿姨把菜端了出来（数据准备的过程），但是你还得继续等阿姨把菜（内核空间）打到你的饭盒里（用户空间），经历完这两个过程，你才可以离开。



非阻塞 I/O 好比，你去了饭堂，问阿姨菜做好了没有，阿姨告诉你没，你就离开了，过几十分钟，你又来饭堂问阿姨，阿姨说做好了，于是阿姨帮你把菜打到你的饭盒里，这个过程你是得等待的。



基于非阻塞的 I/O 多路复用好比，你去饭堂吃饭，发现有一排窗口，饭堂阿姨告诉你这些窗口都还没做好菜，等做好了再通知你，于是等啊等（select 调用中），过了一会阿姨通知你菜做好了，但是不知道哪个窗口的菜做好了，你自己看吧。于是你只能一个一个窗口去确认，后面发现 5 号窗口菜做好了，于是你让 5 号窗口的阿姨帮你打菜到饭盒里，这个打菜的过程你是要等待的，虽然时间不长。打完菜后，你自然就可以离开了。



异步 I/O 好比，你让饭堂阿姨将菜做好并把菜打到饭盒里后，把饭盒送到你面前，整个过程你都不需要任何等待。