IO

IO簡介

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。 在POSIX兼容的系統(tǒng)上，例如Linux系統(tǒng)［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(nèi)存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能，在不同的應(yīng)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(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。

　　在POSIX兼容的系統(tǒng)上，例如Linux系統(tǒng)，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(nèi)存映設(shè)I/O）等，不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能，在不同的應(yīng)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(jié)或者包裝后的字節(jié)的讀取就是拿出來放進(jìn)去雙路切換；實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的弱電線路與被控設(shè)備的強(qiáng)電線路之間的轉(zhuǎn)接、隔離，以防止強(qiáng)電竄入系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全；

IO百科

　　I/O輸入/輸出（Input/Output），分為IO設(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。 在POSIX兼容的系統(tǒng)上，例如Linux系統(tǒng)［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(nèi)存映射I/O）等，不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能，在不同的應(yīng)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(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。

　　在POSIX兼容的系統(tǒng)上，例如Linux系統(tǒng)，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(nèi)存映設(shè)I/O）等，不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能，在不同的應(yīng)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(jié)或者包裝后的字節(jié)的讀取就是拿出來放進(jìn)去雙路切換；實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的弱電線路與被控設(shè)備的強(qiáng)電線路之間的轉(zhuǎn)接、隔離，以防止強(qiáng)電竄入系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全；

　　與專線控制盤連接，用于控制重要消防設(shè)備（如消防泵、噴淋泵、風(fēng)機(jī)等），一只模塊可控制一臺(tái)大型消防設(shè)備的啟、?？刂?；

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

　　通過無源動(dòng)合接點(diǎn)或切換AC220V電壓作為回答信號。

　　確認(rèn)燈動(dòng)作燈—紅色，回答燈—綠色；動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作燈常亮、回答燈常亮。

　　接點(diǎn)負(fù)載AC250V/3A、DC30/V7A啟動(dòng)為一組常開/常閉觸點(diǎn)、停止為一組常開觸點(diǎn)。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(dòng)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(yīng)的常開觸點(diǎn)輸出；

　　端子11、12接220V回答信號；

　　端子13、14為啟動(dòng)命令對應(yīng)的常開觸點(diǎn)輸出；端子14、15為啟動(dòng)命令對應(yīng)的常閉觸點(diǎn)輸出；

　　觸點(diǎn)輸出均為無源。

　　端子16接24V電源正極；

　　應(yīng)用（接專線控制盤）

　　注意事項(xiàng)：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(gè)回答輸入，它是啟動(dòng)1的回答。

　　JBF-151F/D啟動(dòng)發(fā)出后可提供一組常開或常閉觸點(diǎn)，停止命令輸出時(shí)只輸出一對常開點(diǎn)。

　　高性能IO模型淺析

　　服務(wù)器端編程經(jīng)常需要構(gòu)造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：

　?。?）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統(tǒng)的IO模型。

　?。?）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認(rèn)創(chuàng)建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設(shè)置為NONBLOCK。注意這里所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。

　?。?）IO多路復(fù)用（IO Multiplexing）：即經(jīng)典的Reactor設(shè)計(jì)模式，有時(shí)也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。

　?。?）異步IO（Asynchronous IO）：即經(jīng)典的Proactor設(shè)計(jì)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(nèi)核的交互方式：同步是指用戶線程發(fā)起IO請求后需要等待或者輪詢內(nèi)核IO操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行；而異步是指用戶線程發(fā)起IO請求后仍繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核IO操作完成后會(huì)通知用戶線程，或者調(diào)用用戶線程注冊的回調(diào)函數(shù)。

　　阻塞和非阻塞的概念描述的是用戶線程調(diào)用內(nèi)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(diào)用后立即返回給用戶一個(gè)狀態(tài)值，無需等到IO操作徹底完成。

　　另外，Richard Stevens 在《Unix 網(wǎng)絡(luò)編程》卷1中提到的基于信號驅(qū)動(dòng)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(xì)分析四種常見的IO模型的實(shí)現(xiàn)原理。為了方便描述，我們統(tǒng)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(nèi)核進(jìn)行IO操作時(shí)被阻塞。

　　圖1 同步阻塞IO

　　如圖1所示，用戶線程通過系統(tǒng)調(diào)用read發(fā)起IO讀操作，由用戶空間轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間。內(nèi)核等到數(shù)據(jù)包到達(dá)后，然后將接收的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取到buffer后，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)。整個(gè)IO請求的過程中，用戶線程是被阻塞的，這導(dǎo)致用戶在發(fā)起IO請求時(shí)，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(chǔ)上，將socket設(shè)置為NONBLOCK。這樣做用戶線程可以在發(fā)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(fā)起IO請求時(shí)立即返回。但并未讀取到任何數(shù)據(jù)，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請求，直到數(shù)據(jù)到達(dá)后，才真正讀取到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)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(diào)用read，嘗試讀取socket中的數(shù)據(jù)，直到讀取成功后，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)。整個(gè)IO請求的過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起IO請求后可以立即返回，但是為了等到數(shù)據(jù)，仍需要不斷地輪詢、重復(fù)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(fù)用

　　IO多路復(fù)用模型是建立在內(nèi)核提供的多路分離函數(shù)select基礎(chǔ)之上的，使用select函數(shù)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(shù)select

　　如圖3所示，用戶首先將需要進(jìn)行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系統(tǒng)調(diào)用返回。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，socket被激活，select函數(shù)返回。用戶線程正式發(fā)起read請求，讀取數(shù)據(jù)并繼續(xù)執(zhí)行。

　　從流程上來看，使用select函數(shù)進(jìn)行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區(qū)別，甚至還多了添加監(jiān)視socket，以及調(diào)用select函數(shù)的額外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的優(yōu)勢是用戶可以在一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)socket的IO請求。用戶可以注冊多個(gè)socket，然后不斷地調(diào)用select讀取被激活的socket，即可達(dá)到在同一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)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(dá)到這個(gè)目的。

　　用戶線程使用select函數(shù)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(huán)前將socket添加到select監(jiān)視中，然后在while內(nèi)一直調(diào)用select獲取被激活的socket，一旦socket可讀，便調(diào)用read函數(shù)將socket中的數(shù)據(jù)讀取出來。

　　然而，使用select函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)并不僅限于此。雖然上述方式允許單線程內(nèi)處理多個(gè)IO請求，但是每個(gè)IO請求的過程還是阻塞的（在select函數(shù)上阻塞），平均時(shí)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(shù)據(jù)到來時(shí)再進(jìn)行處理，則可以提高CPU的利用率。

　　IO多路復(fù)用模型使用了Reactor設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制。

　　圖4 Reactor設(shè)計(jì)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?。?，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(jìn)行定制。Reactor類用于管理EventHandler（注冊、刪除等），并使用handle_events實(shí)現(xiàn)事件循環(huán)，不斷調(diào)用同步事件多路分離器（一般是內(nèi)核）的多路分離函數(shù)select，只要某個(gè)文件句柄被激活（可讀/寫等），select就返回（阻塞），handle_events就會(huì)調(diào)用與文件句柄關(guān)聯(lián)的事件處理器的handle_event進(jìn)行相關(guān)操作。

　　圖5 IO多路復(fù)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(tài)的工作統(tǒng)一交給handle_events事件循環(huán)進(jìn)行處理。用戶線程注冊事件處理器之后可以繼續(xù)執(zhí)行做其他的工作（異步），而Reactor線程負(fù)責(zé)調(diào)用內(nèi)核的select函數(shù)檢查socket狀態(tài)。當(dāng)有socket被激活時(shí)，則通知相應(yīng)的用戶線程（或執(zhí)行用戶線程的回調(diào)函數(shù)），執(zhí)行handle_event進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、處理的工作。由于select函數(shù)是阻塞的，因此多路IO復(fù)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(shù)執(zhí)行時(shí)線程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路復(fù)用模型時(shí)，socket都是設(shè)置為NONBLOCK的，不過這并不會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)橛脩舭l(fā)起IO請求時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)了，用戶線程一定不會(huì)被阻塞。

　　用戶線程使用IO多路復(fù)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(shù)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)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(huán)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(huán)不斷地調(diào)用select獲取被激活的socket，然后根據(jù)獲取socket對應(yīng)的EventHandler，執(zhí)行器handle_event函數(shù)即可。

　　IO多路復(fù)用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”，因?yàn)樗褂昧藭?huì)阻塞線程的select系統(tǒng)調(diào)用。因此IO多路復(fù)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(tǒng)更強(qiáng)的支持。在IO多路復(fù)用模型中，事件循環(huán)將文件句柄的狀態(tài)事件通知給用戶線程，由用戶線程自行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。而在異步IO模型中，當(dāng)用戶線程收到通知時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)被內(nèi)核讀取完畢，并放在了用戶線程指定的緩沖區(qū)內(nèi)，內(nèi)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(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制。

　　圖6 Proactor設(shè)計(jì)模式

　　如圖6，Proactor模式和Reactor模式在結(jié)構(gòu)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(jiān)聽，然后事件觸發(fā)時(shí)調(diào)用事件處理函數(shù)。而Proactor模式中，用戶線程將AsynchronousOperation（讀/寫等）、Proactor以及操作完成時(shí)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(dāng)用戶線程調(diào)用異步API后，便繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)。AsynchronousOperationProcessor 會(huì)開啟獨(dú)立的內(nèi)核線程執(zhí)行異步操作，實(shí)現(xiàn)真正的異步。當(dāng)異步IO操作完成時(shí)，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(jié)果數(shù)據(jù)一起轉(zhuǎn)發(fā)給Proactor，Proactor負(fù)責(zé)回調(diào)每一個(gè)異步操作的事件完成處理函數(shù)handle_event。雖然Proactor模式中每個(gè)異步操作都可以綁定一個(gè)Proactor對象，但是一般在操作系統(tǒng)中，Proactor被實(shí)現(xiàn)為Singleton模式，以便于集中化分發(fā)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(nèi)核提供的異步IO API發(fā)起read請求，且發(fā)起后立即返回，繼續(xù)執(zhí)行用戶線程代碼。不過此時(shí)用戶線程已經(jīng)將調(diào)用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊到內(nèi)核，然后操作系統(tǒng)開啟獨(dú)立的內(nèi)核線程去處理IO操作。當(dāng)read請求的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，由內(nèi)核負(fù)責(zé)讀取socket中的數(shù)據(jù)，并寫入用戶指定的緩沖區(qū)中。最后內(nèi)核將read的數(shù)據(jù)和用戶線程注冊的CompletionHandler分發(fā)給內(nèi)部Proactor，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程（一般通過調(diào)用用戶線程注冊的完成事件處理函數(shù)），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(shù)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)的工作，參數(shù)buffer表示Proactor已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)，用戶線程直接調(diào)用內(nèi)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(fù)用模型，異步IO并不十分常用，不少高性能并發(fā)服務(wù)程序使用IO多路復(fù)用模型+多線程任務(wù)處理的架構(gòu)基本可以滿足需求。況且目前操作系統(tǒng)對異步IO的支持并非特別完善，更多的是采用IO多路復(fù)用模型模擬異步IO的方式（IO事件觸發(fā)時(shí)不直接通知用戶線程，而是將數(shù)據(jù)讀寫完畢后放到用戶指定的緩沖區(qū)中）。Java7之后已經(jīng)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(gè)層次簡要描述了常見的四種高性能IO模型的結(jié)構(gòu)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(wù)端程序的開發(fā)中選擇更符合實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)的IO模型，提高服務(wù)質(zhì)量。