岳阳企业网站定制开发,河南省建设厅执业资格注册中心网站,外贸网站建设价格怎么样,天猫网站什么时候建设前言#xff1a; 正在运行的程序其实就是系统中的一个进程#xff0c;操作系统会为每一个进程分配内存空间#xff0c;而内存空间分为两部分#xff0c;一部分是用户空间#xff0c;这是用户进程访问的内存区域#xff1b;另一部分是内核空间#xff0c;是操作系统内核访…前言 正在运行的程序其实就是系统中的一个进程操作系统会为每一个进程分配内存空间而内存空间分为两部分一部分是用户空间这是用户进程访问的内存区域另一部分是内核空间是操作系统内核访问的内存区域。 如网络、磁盘IO等操作出于安全性考虑用户进程不能直接与外部设备进行数据交互用户进程只能向操作系统发起IO调用请求由操作系统内核与外部设备进行数据交互完成真正的IO操作。 IO模型 首先明确一个概念磁盘、socket通讯的网卡等都属于外部设备。我们经常看到的输入(input)、输出(output)等概念其实就是指用户进程与这些外部设备的交互。
IO实质 输入(input)将外部设备中的数据加载到用户进程内。 输出(output)将用户进程内的数据迁移到外部设备。
一个完整的IO过程分为几步 1、用户进程向操作系统发起IO调用请求。 2、操作系统准备数据将外部设备中的数据加载到内核缓冲区。 3、操作系统拷贝数据将内核缓冲区的数据拷贝到用户进程缓冲区。
在一次完整IO过程中根据用户进程的不同表现形式我们可以将IO模型分成以下几种 1阻塞IO(Blocking IO) 表现从发起IO调用请求(recvrom系统函数调用)至接收到操作系统内核拷贝来的数据的整个过程中用户进程一直处于阻塞状态。 2非阻塞IO(Non-Blocking IO) 表现用户进程发起IO调用请求后如果数据还未准备好内核会直接返回错误信息结束用户进程的阻塞状态用户进程不断轮询发起IO调用请求直至数据准备就绪。 特点不像BIO用户进程在整个IO流程中都是阻塞的通过轮询发起IO请求来获取数据。相较于BIO有性能提升但在数据准备好之前用户进程会不断调用系统函数占用大量的CPU资源。 3IO多路复用 表现用户进程调用系统函数select后可以监控多个fd只要有任意一个fd的数据准备就绪select函数就会返回可读提示给用户进程此时进程再调用recvfrom系统函数读取数据。 特点解决了NIO频繁的系统调用问题减少CPU资源的消耗。只有在监视的fd返回可读提升后用户进程才会调用recvfrom函数请求获取数据。 fd概念 1、文件描述符全称File Description是一个从0开始的无符号整数每个fd都可以关联一个文件。 2、在linux中万物皆文件常规文件、视频、硬件设备、socket等都可以用一个fd来进行关联。 简单提一下IO多路复用模型涉及到的系统函数有三个select、poll、epoll。 select函数特点有连接数限制一次最多只能监听1024个fdselect函数返回可读提示后用户进程需要遍历fd集合才能得知哪个fd数据准备就绪时间复杂度O(n)。 poll函数特点解决了select函数有连接数限制的问题但还是需要遍历fd集合。 epoll函数特点既解决了连接数限制问题又无需遍历fd集合获取可以用O(1)的时间复杂度获取可读的fd。 4异步(Asynchronous IO) 表现用户进程发起IO调用请求后内核直接返回提示信息在随后的数据准备阶段以及数据拷贝阶段用户进程不会阻塞在数据拷贝操作完成后内核发送信号通知用户进程。 特点无论是NIO模型还是IO多路复用模型它们都会在数据拷贝阶段将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区阻塞而AIO模型实现了真正的IO全过程无阻塞。 零拷贝 服务端一般都会提供文件下载功能这个功能的实质是基于与客户端建立的socket连接将服务器磁盘上的文件发送到客户端主机的网卡上。 文件下载功能大概的IO流程
从磁盘中读取数据到应用程序内存 1、用户进程调用read函数向操作系统发起IO请求上下文从用户态切换为内核态。 2、DMA控制器将数据从磁盘控制缓冲区中拷贝到内核缓冲区。 3、CPU再把内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区上下文从内核态切换为用户态read函数返回。
将应用程序内存中的数据写入到socket 4、用户进程调用write函数发起IO调用请求上下文从用户态切换为内核态。 5、CPU将用户缓冲区中的数据拷贝到socket缓冲区。 6、DMA控制器再将数据从socket缓冲区拷贝到网卡设备上下文从内核态切换回用户态write函数返回。 如上图所示整个过程包含4次上下文切换用户态、内核态转换、4次数据拷贝操作效率较低。看到这里可能大家会对DMA有疑惑它是什么有什么用 DMA全称Direct Memory Access直接内存访问本质上是一块主板上独立的芯片。它的作用是替代CPU完成与IO设备的数据传输工作减少CPU的负担提高CPU的利用效率。 读取磁盘文件的完整IO流程 1、用户进程调用read函数发起IO调用请求。 2、CPU收到指令后对DMA控制器发起指令调度。 3、DMA收到IO请求(CPU指令调度)后请求获取磁盘数据。 4、磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区通知DMA控制器。 5、DMA将数据从磁盘控制缓冲区拷贝到内核缓冲区。 6、DMA通知CPUCPU负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。 7、用户应用进程从内核态切换回用户态。 通过读取磁盘文件的IO流程我们也不难得到将数据写出到网卡的整个IO流程。 零拷贝概念不是指没有数据拷贝操作而是减少上下文切换次数和数据拷贝的次数。 零拷贝实现方案 1mmapwrite使用mmap系统函数代替read系统函数。 流程DMA将磁盘缓冲区的数据拷贝到内核缓冲区此时CPU不会将内核缓冲区中的数据拷贝到用户缓冲区因为内核缓冲区内的数据会被映射到用户空间但mmap函数返回时还是会从内核态切换到用户态。 特点减少了一次数据拷贝操作但整个IO过程还是有4次上下文切换操作。 2sendfile使用sendfile系统函数代替read、write两个系统函数。 流程DMA将磁盘缓冲区的数据拷贝到内核缓冲区随后CPU直接将内核缓冲区内的数据拷贝到socket缓冲区中。 特点减少了read函数返回时的上下文的切换、write函数调用时的上下文的切换。总计减少了一次数据拷贝操作和两次上下文切换操作。 3sendfileSG-DMA 流程DMA将磁盘缓冲区的数据拷贝到内核缓冲区缓冲区将文件描述符和数据长度传到 socket缓冲区网卡的SG-DMA控制器可直接将内核缓冲区里的数据拷贝到网卡设备。 特点整个IO流程不涉及CPU没有将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区这一流程总计减少了两次数据拷贝操作和两次上下文切换操作。
