IO

IO简介

　　I/O输入/输出（Input/Output），分为IO设备和IO接口两个部分。 在POSIX兼容的系统上，例如Linux系统［1］ ，I/O操作可以有多种方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous I/O，异步I/O），Memory-Mapped I/O（内存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的实现方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的I/O方式。

　　I/O输入/输出（Input/Output），分为IO设备和IO接口两个部分。

　　在POSIX兼容的系统上，例如Linux系统，I/O操作可以有多种方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous，I/O 异步I/O），Memory-Mapped I/O（内存映设I/O）等，不同的I/O方式有不同的实现方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的I/O方式。

　　输入输出I/O流可以看成对字节或者包装后的字节的读取就是拿出来放进去双路切换；实现联动控制系统的弱电线路与被控设备的强电线路之间的转接、隔离，以防止强电窜入系统，保障系统的安全；

IO百科

　　I/O输入/输出（Input/Output），分为IO设备和IO接口两个部分。 在POSIX兼容的系统上，例如Linux系统［1］ ，I/O操作可以有多种方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous I/O，异步I/O），Memory-Mapped I/O（内存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的实现方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的I/O方式。

　　I/O输入/输出（Input/Output），分为IO设备和IO接口两个部分。

　　在POSIX兼容的系统上，例如Linux系统，I/O操作可以有多种方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous，I/O 异步I/O），Memory-Mapped I/O（内存映设I/O）等，不同的I/O方式有不同的实现方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的I/O方式。

　　输入输出I/O流可以看成对字节或者包装后的字节的读取就是拿出来放进去双路切换；实现联动控制系统的弱电线路与被控设备的强电线路之间的转接、隔离，以防止强电窜入系统，保障系统的安全；

　　与专线控制盘连接，用于控制重要消防设备（如消防泵、喷淋泵、风机等），一只模块可控制一台大型消防设备的启、停控制；

　　插拔式结构，可像安装探测器一样先将底座安装在墙上，布线后工程调试前再将切换模块插入底座。易于施工、维护；

　　通过无源动合接点或切换AC220V电压作为回答信号。

　　确认灯动作灯—红色，回答灯—绿色；动作时，动作灯常亮、回答灯常亮。

　　接点负载AC250V/3A、DC30/V7A启动为一组常开/常闭触点、停止为一组常开触点。安装与接线

　　安装孔距为65mm，用2只M4螺钉或A4自攻钉固定在安装位置。

　　端子1接多线盘启动端；端子2接多线盘停止端；

　　端子3接多线盘回答端；端子4接电源地G；

　　端子5、6为停止命令对应的常开触点输出；

　　端子11、12接220V回答信号；

　　端子13、14为启动命令对应的常开触点输出；端子14、15为启动命令对应的常闭触点输出；

　　触点输出均为无源。

　　端子16接24V电源正极；

　　应用（接专线控制盘）

　　注意事项：可使用AC220V或无源闭合信号作为回答反馈信号。

　　JBF-151F/D只有1个回答输入，它是启动1的回答。

　　JBF-151F/D启动发出后可提供一组常开或常闭触点，停止命令输出时只输出一对常开点。

　　高性能IO模型浅析

　　服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四种：

　　（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统的IO模型。

　　（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库。

　　（3）IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。

　　（4）异步IO（Asynchronous IO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

　　同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

　　阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

　　另外，Richard Stevens 在《Unix 网络编程》卷1中提到的基于信号驱动的IO（Signal Driven IO）模型，由于该模型并不常用，本文不作涉及。接下来，我们详细分析四种常见的IO模型的实现原理。为了方便描述，我们统一使用IO的读操作作为示例。

　　一、同步阻塞IO

　　同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞。

　　图1 同步阻塞IO

　　如图1所示，用户线程通过系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作。

　　用户线程使用同步阻塞IO模型的伪代码描述为：

　　{

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　即用户需要等待read将socket中的数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。

　　二、同步非阻塞IO

　　同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基础上，将socket设置为NONBLOCK。这样做用户线程可以在发起IO请求后可以立即返回。

　　图2 同步非阻塞IO

　　如图2所示，由于socket是非阻塞的方式，因此用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。

　　用户线程使用同步非阻塞IO模型的伪代码描述为：

　　{

　　while（read（socket， buffer） ！= SUCCESS）

　　;

　　process（buffer）;

　　}

　　即用户需要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

　　三、IO多路复用

　　IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。

　　图3 多路分离函数select

　　如图3所示，用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。

　　从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

　　用户线程使用select函数的伪代码描述为：

　　{

　　select（socket）;

　　while（1） {

　　sockets = select（）;

　　for（socket in sockets） {

　　if（can_read（socket）） {

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　}

　　}

　　}

　　其中while循环前将socket添加到select监视中，然后在while内一直调用select获取被激活的socket，一旦socket可读，便调用read函数将socket中的数据读取出来。

　　然而，使用select函数的优点并不仅限于此。虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求，然后去做自己的事情，等到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率。

　　IO多路复用模型使用了Reactor设计模式实现了这一机制。

　　图4 Reactor设计模式

　　如图4所示，EventHandler抽象类表示IO事件处理器，它拥有IO文件句柄Handle（通过get_handle获取），以及对Handle的操作handle_event（读/写等）。继承于EventHandler的子类可以对事件处理器的行为进行定制。Reactor类用于管理EventHandler（注册、删除等），并使用handle_events实现事件循环，不断调用同步事件多路分离器（一般是内核）的多路分离函数select，只要某个文件句柄被激活（可读/写等），select就返回（阻塞），handle_events就会调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操作。

　　图5 IO多路复用

　　如图5所示，通过Reactor的方式，可以将用户线程轮询IO操作状态的工作统一交给handle_events事件循环进行处理。用户线程注册事件处理器之后可以继续执行做其他的工作（异步），而Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时，则通知相应的用户线程（或执行用户线程的回调函数），执行handle_event进行数据读取、处理的工作。由于select函数是阻塞的，因此多路IO复用模型也被称为异步阻塞IO模型。注意，这里的所说的阻塞是指select函数执行时线程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路复用模型时，socket都是设置为NONBLOCK的，不过这并不会产生影响，因为用户发起IO请求时，数据已经到达了，用户线程一定不会被阻塞。

　　用户线程使用IO多路复用模型的伪代码描述为：

　　void UserEventHandler：：handle_event（） {

　　if（can_read（socket）） {

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　}

　　{

　　Reactor.register（new UserEventHandler（socket））;

　　}

　　用户需要重写EventHandler的handle_event函数进行读取数据、处理数据的工作，用户线程只需要将自己的EventHandler注册到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循环的伪代码大致如下。

　　Reactor：：handle_events（） {

　　while（1） {

　　sockets = select（）;

　　for（socket in sockets） {

　　get_event_handler（socket）.handle_event（）;

　　}

　　}

　　}

　　事件循环不断地调用select获取被激活的socket，然后根据获取socket对应的EventHandler，执行器handle_event函数即可。

　　IO多路复用是最常使用的IO模型，但是其异步程度还不够“彻底”，因为它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO，而非真正的异步IO。

　　四、异步IO

　　“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中，事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。

　　异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。

　　图6 Proactor设计模式

　　如图6，Proactor模式和Reactor模式在结构上比较相似，不过在用户（Client）使用方式上差别较大。Reactor模式中，用户线程通过向Reactor对象注册感兴趣的事件监听，然后事件触发时调用事件处理函数。而Proactor模式中，用户线程将AsynchronousOperation（读/写等）、Proactor以及操作完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步操作API（读/写等）供用户使用，当用户线程调用异步API后，便继续执行自己的任务。AsynchronousOperationProcessor 会开启独立的内核线程执行异步操作，实现真正的异步。当异步IO操作完成时，AsynchronousOperationProcessor将用户线程与AsynchronousOperation一起注册的Proactor和CompletionHandler取出，然后将CompletionHandler与IO操作的结果数据一起转发给Proactor，Proactor负责回调每一个异步操作的事件完成处理函数handle_event。虽然Proactor模式中每个异步操作都可以绑定一个Proactor对象，但是一般在操作系统中，Proactor被实现为Singleton模式，以便于集中化分发操作完成事件。

　　图7 异步IO

　　如图7所示，异步IO模型中，用户线程直接使用内核提供的异步IO API发起read请求，且发起后立即返回，继续执行用户线程代码。不过此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核，然后操作系统开启独立的内核线程去处理IO操作。当read请求的数据到达时，由内核负责读取socket中的数据，并写入用户指定的缓冲区中。最后内核将read的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部Proactor，Proactor将IO完成的信息通知给用户线程（一般通过调用用户线程注册的完成事件处理函数），完成异步IO。

　　用户线程使用异步IO模型的伪代码描述为：

　　void UserCompletionHandler：：handle_event（buffer） {

　　process（buffer）;

　　}

　　{

　　aio_read（socket， new UserCompletionHandler）;

　　}

　　用户需要重写CompletionHandler的handle_event函数进行处理数据的工作，参数buffer表示Proactor已经准备好的数据，用户线程直接调用内核提供的异步IO API，并将重写的CompletionHandler注册即可。

　　相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。况且目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）。Java7之后已经支持了异步IO，感兴趣的读者可以尝试使用。

　　本文从基本概念、工作流程和代码示例三个层次简要描述了常见的四种高性能IO模型的结构和原理，理清了同步、异步、阻塞、非阻塞这些容易混淆的概念。通过对高性能IO模型的理解，可以在服务端程序的开发中选择更符合实际业务特点的IO模型，提高服务质量。