IO簡介

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設備和IO接口兩個部分。 在POSIX兼容的系統上，例如Linux系統［1］ ，I/O操作可以有多種方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous I/O，異步I/O），Memory-Mapped I/O（內存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的實現方式和性能，在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設備和IO接口兩個部分。

　　在POSIX兼容的系統上，例如Linux系統，I/O操作可以有多種方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous，I/O 異步I/O），Memory-Mapped I/O（內存映設I/O）等，不同的I/O方式有不同的實現方式和性能，在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。

　　輸入輸出I/O流可以看成對字節或者包裝后的字節的讀取就是拿出來放進去雙路切換；實現聯動控制系統的弱電線路與被控設備的強電線路之間的轉接、隔離，以防止強電竄入系統，保障系統的安全；

IO百科

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設備和IO接口兩個部分。 在POSIX兼容的系統上，例如Linux系統［1］ ，I/O操作可以有多種方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous I/O，異步I/O），Memory-Mapped I/O（內存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的實現方式和性能，在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設備和IO接口兩個部分。

　　在POSIX兼容的系統上，例如Linux系統，I/O操作可以有多種方式，比如DIO（Direct I/O），AIO（Asynchronous，I/O 異步I/O），Memory-Mapped I/O（內存映設I/O）等，不同的I/O方式有不同的實現方式和性能，在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。

　　輸入輸出I/O流可以看成對字節或者包裝后的字節的讀取就是拿出來放進去雙路切換；實現聯動控制系統的弱電線路與被控設備的強電線路之間的轉接、隔離，以防止強電竄入系統，保障系統的安全；

　　與專線控制盤連接，用于控制重要消防設備（如消防泵、噴淋泵、風機等），一只模塊可控制一臺大型消防設備的啟、停控制；

　　插拔式結構，可像安裝探測器一樣先將底座安裝在墻上，布線后工程調試前再將切換模塊插入底座。易于施工、維護；

　　通過無源動合接點或切換AC220V電壓作為回答信號。

　　確認燈動作燈—紅色，回答燈—綠色；動作時，動作燈常亮、回答燈常亮。

　　接點負載AC250V/3A、DC30/V7A啟動為一組常開/常閉觸點、停止為一組常開觸點。安裝與接線

　　安裝孔距為65mm，用2只M4螺釘或A4自攻釘固定在安裝位置。

　　端子1接多線盤啟動端；端子2接多線盤停止端；

　　端子3接多線盤回答端；端子4接電源地G；

　　端子5、6為停止命令對應的常開觸點輸出；

　　端子11、12接220V回答信號；

　　端子13、14為啟動命令對應的常開觸點輸出；端子14、15為啟動命令對應的常閉觸點輸出；

　　觸點輸出均為無源。

　　端子16接24V電源正極；

　　應用（接專線控制盤）

　　注意事項：可使用AC220V或無源閉合信號作為回答反饋信號。

　　JBF-151F/D只有1個回答輸入，它是啟動1的回答。

　　JBF-151F/D啟動發出后可提供一組常開或常閉觸點，停止命令輸出時只輸出一對常開點。

　　高性能IO模型淺析

　　服務器端編程經常需要構造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：

　　（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統的IO模型。

　　（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認創建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK。注意這里所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。

　　（3）IO多路復用（IO Multiplexing）：即經典的Reactor設計模式，有時也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。

　　（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式，也稱為異步非阻塞IO。

　　同步和異步的概念描述的是用戶線程與內核的交互方式：同步是指用戶線程發起IO請求后需要等待或者輪詢內核IO操作完成后才能繼續執行；而異步是指用戶線程發起IO請求后仍繼續執行，當內核IO操作完成后會通知用戶線程，或者調用用戶線程注冊的回調函數。

　　阻塞和非阻塞的概念描述的是用戶線程調用內核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要徹底完成后才返回到用戶空間；而非阻塞是指IO操作被調用后立即返回給用戶一個狀態值，無需等到IO操作徹底完成。

　　另外，Richard Stevens 在《Unix 網絡編程》卷1中提到的基于信號驅動的IO（Signal Driven IO）模型，由于該模型并不常用，本文不作涉及。接下來，我們詳細分析四種常見的IO模型的實現原理。為了方便描述，我們統一使用IO的讀操作作為示例。

　　一、同步阻塞IO

　　同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，用戶線程在內核進行IO操作時被阻塞。

　　圖1 同步阻塞IO

　　如圖1所示，用戶線程通過系統調用read發起IO讀操作，由用戶空間轉到內核空間。內核等到數據包到達后，然后將接收的數據拷貝到用戶空間，完成read操作。

　　用戶線程使用同步阻塞IO模型的偽代碼描述為：

　　{

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　即用戶需要等待read將socket中的數據讀取到buffer后，才繼續處理接收的數據。整個IO請求的過程中，用戶線程是被阻塞的，這導致用戶在發起IO請求時，不能做任何事情，對CPU的資源利用率不夠。

　　二、同步非阻塞IO

　　同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎上，將socket設置為NONBLOCK。這樣做用戶線程可以在發起IO請求后可以立即返回。

　　圖2 同步非阻塞IO

　　如圖2所示，由于socket是非阻塞的方式，因此用戶線程發起IO請求時立即返回。但并未讀取到任何數據，用戶線程需要不斷地發起IO請求，直到數據到達后，才真正讀取到數據，繼續執行。

　　用戶線程使用同步非阻塞IO模型的偽代碼描述為：

　　{

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

　　;

　　process（buffer）;

　　}

　　即用戶需要不斷地調用read，嘗試讀取socket中的數據，直到讀取成功后，才繼續處理接收的數據。整個IO請求的過程中，雖然用戶線程每次發起IO請求后可以立即返回，但是為了等到數據，仍需要不斷地輪詢、重復請求，消耗了大量的CPU的資源。一般很少直接使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。

　　三、IO多路復用

　　IO多路復用模型是建立在內核提供的多路分離函數select基礎之上的，使用select函數可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題。

　　圖3 多路分離函數select

　　如圖3所示，用戶首先將需要進行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系統調用返回。當數據到達時，socket被激活，select函數返回。用戶線程正式發起read請求，讀取數據并繼續執行。

　　從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的優勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。用戶可以注冊多個socket，然后不斷地調用select讀取被激活的socket，即可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。

　　用戶線程使用select函數的偽代碼描述為：

　　{

　　select（socket）;

　　while（1） {

　　sockets = select（）;

　　for（socket in sockets） {

　　if（can_read（socket）） {

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　}

　　}

　　}

　　其中while循環前將socket添加到select監視中，然后在while內一直調用select獲取被激活的socket，一旦socket可讀，便調用read函數將socket中的數據讀取出來。

　　然而，使用select函數的優點并不僅限于此。雖然上述方式允許單線程內處理多個IO請求，但是每個IO請求的過程還是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。如果用戶線程只注冊自己感興趣的socket或者IO請求，然后去做自己的事情，等到數據到來時再進行處理，則可以提高CPU的利用率。

　　IO多路復用模型使用了Reactor設計模式實現了這一機制。

　　圖4 Reactor設計模式

　　如圖4所示，EventHandler抽象類表示IO事件處理器，它擁有IO文件句柄Handle（通過get_handle獲取），以及對Handle的操作handle_event（讀/寫等）。繼承于EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定制。Reactor類用于管理EventHandler（注冊、刪除等），并使用handle_events實現事件循環，不斷調用同步事件多路分離器（一般是內核）的多路分離函數select，只要某個文件句柄被激活（可讀/寫等），select就返回（阻塞），handle_events就會調用與文件句柄關聯的事件處理器的handle_event進行相關操作。

　　圖5 IO多路復用

　　如圖5所示，通過Reactor的方式，可以將用戶線程輪詢IO操作狀態的工作統一交給handle_events事件循環進行處理。用戶線程注冊事件處理器之后可以繼續執行做其他的工作（異步），而Reactor線程負責調用內核的select函數檢查socket狀態。當有socket被激活時，則通知相應的用戶線程（或執行用戶線程的回調函數），執行handle_event進行數據讀取、處理的工作。由于select函數是阻塞的，因此多路IO復用模型也被稱為異步阻塞IO模型。注意，這里的所說的阻塞是指select函數執行時線程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路復用模型時，socket都是設置為NONBLOCK的，不過這并不會產生影響，因為用戶發起IO請求時，數據已經到達了，用戶線程一定不會被阻塞。

　　用戶線程使用IO多路復用模型的偽代碼描述為：

　　void UserEventHandler：：handle_event（） {

　　if（can_read（socket）） {

　　read（socket， buffer）;

　　process（buffer）;

　　}

　　}

　　{

　　Reactor.register（new UserEventHandler（socket））;

　　}

　　用戶需要重寫EventHandler的handle_event函數進行讀取數據、處理數據的工作，用戶線程只需要將自己的EventHandler注冊到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循環的偽代碼大致如下。

　　Reactor：：handle_events（） {

　　while（1） {

　　sockets = select（）;

　　for（socket in sockets） {

　　get_event_handler（socket）.handle_event（）;

　　}

　　}

　　}

　　事件循環不斷地調用select獲取被激活的socket，然后根據獲取socket對應的EventHandler，執行器handle_event函數即可。

　　IO多路復用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”，因為它使用了會阻塞線程的select系統調用。因此IO多路復用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO。

　　四、異步IO

　　“真正”的異步IO需要操作系統更強的支持。在IO多路復用模型中，事件循環將文件句柄的狀態事件通知給用戶線程，由用戶線程自行讀取數據、處理數據。而在異步IO模型中，當用戶線程收到通知時，數據已經被內核讀取完畢，并放在了用戶線程指定的緩沖區內，內核在IO完成后通知用戶線程直接使用即可。

　　異步IO模型使用了Proactor設計模式實現了這一機制。

　　圖6 Proactor設計模式

　　如圖6，Proactor模式和Reactor模式在結構上比較相似，不過在用戶（Client）使用方式上差別較大。Reactor模式中，用戶線程通過向Reactor對象注冊感興趣的事件監聽，然后事件觸發時調用事件處理函數。而Proactor模式中，用戶線程將AsynchronousOperation（讀/寫等）、Proactor以及操作完成時的CompletionHandler注冊到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一組異步操作API（讀/寫等）供用戶使用，當用戶線程調用異步API后，便繼續執行自己的任務。AsynchronousOperationProcessor 會開啟獨立的內核線程執行異步操作，實現真正的異步。當異步IO操作完成時，AsynchronousOperationProcessor將用戶線程與AsynchronousOperation一起注冊的Proactor和CompletionHandler取出，然后將CompletionHandler與IO操作的結果數據一起轉發給Proactor，Proactor負責回調每一個異步操作的事件完成處理函數handle_event。雖然Proactor模式中每個異步操作都可以綁定一個Proactor對象，但是一般在操作系統中，Proactor被實現為Singleton模式，以便于集中化分發操作完成事件。

　　圖7 異步IO

　　如圖7所示，異步IO模型中，用戶線程直接使用內核提供的異步IO API發起read請求，且發起后立即返回，繼續執行用戶線程代碼。不過此時用戶線程已經將調用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊到內核，然后操作系統開啟獨立的內核線程去處理IO操作。當read請求的數據到達時，由內核負責讀取socket中的數據，并寫入用戶指定的緩沖區中。最后內核將read的數據和用戶線程注冊的CompletionHandler分發給內部Proactor，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程（一般通過調用用戶線程注冊的完成事件處理函數），完成異步IO。

　　用戶線程使用異步IO模型的偽代碼描述為：

　　void UserCompletionHandler：：handle_event（buffer） {

　　process（buffer）;

　　}

　　{

　　aio_read（socket， new UserCompletionHandler）;

　　}

　　用戶需要重寫CompletionHandler的handle_event函數進行處理數據的工作，參數buffer表示Proactor已經準備好的數據，用戶線程直接調用內核提供的異步IO API，并將重寫的CompletionHandler注冊即可。

　　相比于IO多路復用模型，異步IO并不十分常用，不少高性能并發服務程序使用IO多路復用模型+多線程任務處理的架構基本可以滿足需求。況且目前操作系統對異步IO的支持并非特別完善，更多的是采用IO多路復用模型模擬異步IO的方式（IO事件觸發時不直接通知用戶線程，而是將數據讀寫完畢后放到用戶指定的緩沖區中）。Java7之后已經支持了異步IO，感興趣的讀者可以嘗試使用。

　　本文從基本概念、工作流程和代碼示例三個層次簡要描述了常見的四種高性能IO模型的結構和原理，理清了同步、異步、阻塞、非阻塞這些容易混淆的概念。通過對高性能IO模型的理解，可以在服務端程序的開發中選擇更符合實際業務特點的IO模型，提高服務質量。