【i.MX6ULL】驱动开发9——Linux I/O模型分析并进来类比

前面两篇介绍按键的文章，无论是用GPIO来读取，还是用中断的方式，其应用程序通过循环读取的方式获取按键值，都会使得CPU的占用率很高。本篇先来介绍Linux中几种的I/O模型，以后使用这类方式进行按键值的读取，可以极大降低CPU的使用率。

1 Linux中的I/O模型

这里以网络I/O为例进行分析，网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，对于一次IO访问，以read为例，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

网络I/O的模型，可以分为五种，这里先分类列出：

2 五种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、最简单的模型。阻塞就是进程被休息, CPU处理其它进程去了。

应用程序进行recefrom系统调用，操作系统收到recefrom系统调用请求，经过两个阶段：

等待数据准备好

内核将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区

这两个阶段完成后调用返回，应用程序解除阻塞。

2.2 非阻塞式I/O模型

非阻塞就是轮询的方式，在这种模型中， I/O操作不会立即完成，recefrom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。

对于第一个阶段：

等待数据准备好

在这个阶段系统调用会立刻返回一个错误状态，不会阻塞，应用程序需要不断轮询，直到内核缓冲区数据准备好

对于第二个阶段：

内核将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区

这个阶段应用程序的调用会被阻塞，直到拷贝完成，应用程序的系统调用返回。

2.3 I/O复用模型

由于非阻塞I/O方式需要不断轮询，会消耗大量的CPU时间，而后台又可能有多个任务在同时轮询，为此，人们就想到了一种方式：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多路复用有两个特别的系统调用select、poll。

select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，这个过程是阻塞的。

2.4 信号驱动式I/O模型

应该程序进行Read系统调用，进程继续运行不会阻塞，立即返回，等待内核缓冲区数据准备好后，通过SIGIO信号通知应用程序，应用程序再进行Read系统调用，内核将内核缓冲区中的数据拷贝到用户缓冲区，调用完成。

2.5 异步I/O模型

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socket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。

3 模型对比

3.1 阻塞I/O与非阻塞I/O对比

简单理解为需要做一件事能不能立即得到返回应答，如果不能立即获得返回，需要等待，那就阻塞了，否则就可以理解为非阻塞。详细区别如下图所示：

3.2 同步I/O与异步I/O对比

实际上同步与异步是针对应用程序与内核的交互而言的。

同步过程中进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否完成。

异步过程中进程触发IO操作以后，直接返回，做自己的事情，IO交给内核来处理，完成后内核通知进程IO完成。

同步与异步如下图所示：

对于Liunx的五种I/O模型，其实主要在等待数据和数据复制这两个时间段不同。

4 各种I/O模型的生活场景式类比

4.1 类比1-饭店点菜

我们去餐厅吃饭，会经过以下几个步骤：首先根据菜单点菜，然后等待厨房准备好，接着服务员上菜。在这个场景中，等待厨房准备菜肴等同于等待数据，服务员上菜等同于将数据从内核复制到用户空间，你就是用户态进程了，服务员和饭店看作是内核态的进程。

阻塞式I/O模型：只点一个菜，然后在餐桌上开始等待，在这个过程中什么事都不干，等服务员把菜上到桌子上之后才开始大快朵颐。

非阻塞式I/O模型：只点一个菜，然后开始等待，啥事都不做，等了一会儿然后就去问服务员，“我的菜好了吗？”，没好接着等待，过了一会儿然后又跑去问....重复这个过程，直到服务员说“亲，你的菜好了，我现在给您送桌上去”，然后你坐在桌子上，等待服务员把饭菜送到你的餐桌上，才开始吃饭。

I/O复用模型：你点了很多菜，然后开始等待，某个时刻其中一个菜或者多个菜厨房里同时好了，服务员跑过来说，“亲，您的有些菜好了，要现在上桌么？”， 你回答，现在就上，于是服务员上一个菜（服务员一次只能上一个菜），你就吃完一个，上一个你就吃完一个。。。

信号驱动式I/O模型：只点一个菜，然后给服务员留下手机，告诉他菜准备好了打个电话给你，先不要上菜，然后你就出去玩耍了，等到菜好了，服务员手机通知你，你立马回到了餐厅，对服务员说“你现在可以上菜了”，于是你在餐桌上等待服务员把菜送上来，然后吃饭。

异步I/O模型：只点一个菜，然后给服务员留下手机，告诉他菜准备好了先上菜，菜上桌了打电话给你，然后你就出去玩耍了，等到菜上桌了，服务员手机通知你，你立马回到了餐桌，开始吃饭。

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

4.2 类比2-钓鱼

有A，B，C，D四个人在钓鱼。

阻塞式I/O模型：A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；

非阻塞式I/O模型：B的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；

I/O复用模型：C用的鱼竿和B差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；

异步I/O模型：D是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给D发个短信。

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

4.3 类比3-银行存钱汇款

阻塞式I/O模型：你去一个银行柜台存钱。首先，你会将存钱的单子填好，交给柜员，之后，你就坐在柜台前等。柜员办好以后会给你一个回执，表示办好了，然后你就可以拿着回执干其它的事了。注意，这时如果你马上去查账，存的钱已经打到你的账户上了。

非阻塞式I/O模型：这次不是去银行存钱，而是去银行汇款。同样的，你也需要填写汇款单然后交给柜员，柜员进行一些简单的手续处理就能够给你回执。但是，你拿到回执并不意味着钱已经打到了对方的账上。事实上，一般汇款的周期大概是24个小时左右，如果你要以存钱的模式来汇款的话，意味着你需要在银行等24个小时，这显然是不现实的。

I/O复用模型：比如说一个银行柜台，现在有10个人想存钱。这10个人都填好存款单，然后都提交给柜台，提交完之后所有的10个人就在银行大厅等待。这时候会专门有个人，他会了解存款单处理的情况，一旦有存款单处理完毕，他会将回执交给相应的正在大厅等待的人，这个拿到回执的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的这个专人，就对应于select函数。

异步I/O模型：现在某银行新开通了一项存钱业务。用户之需要将存款单交给柜台，然后无需等待就可以离开了。柜台办好以后会给用户发送一条短信，告知交易成功。这样用户不需要在柜台前进行长时间的等待，同时，也能够得到确切的消息知道交易完成。

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

5 总结

本篇介绍了Linux中的五种I/O模型：阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型、异步I/O模型，并通过生活中实际的场景进来类比。