阻塞IO和非阻塞IO的区别

时间: 2024-06-18 08:02:41 浏览: 99

阻塞与非阻塞IO

课程内容阻塞和非阻塞I/O在设备驱动中的应用目标理解阻塞、非阻塞、轮询三种I/O模型掌握阻塞I/O在驱动程序中的使用掌握驱动和应用程序中的轮询编程第一章：阻塞型I/O 第二章：轮询操作（I/O复用）第三章：三种I/O模型的比较 ### 阻塞与非阻塞IO详解 #### 一、阻塞型I/O **1.1 阻塞I/O的概念和意义** 在计算机操作系统中，I/O（输入/输出）操作是非常常见的任务之一。阻塞I/O是其中一种重要的模型。当一个进程试图执行I/O操作而资源（如磁盘空间、网络连接等）暂时不可用时，该进程会被挂起（即暂停执行），直到资源可用或操作完成为止。 - **阻塞**：如果进程在执行I/O操作时无法立即完成（例如因为磁盘上没有所需的数据），那么该进程会被挂起，直到条件满足为止。 - **非阻塞**：与此相反，如果进程在执行I/O操作时无法立即完成，则不会被挂起，而是可以选择放弃操作或不断查询，直到可以继续操作为止。 - **挂起**：当进程因等待某些条件而无法继续执行时，它会进入休眠状态，并从调度器的运行队列中移除，只有当等待的条件满足时才会重新变为可执行状态。 **1.2 等待队列** 等待队列是一种用于管理挂起进程的机制，常用于实现阻塞I/O。等待队列通常基于队列数据结构实现，可以用来唤醒阻塞的进程。它在内核中扮演了异步事件通知机制的角色，帮助实现对系统资源的同步访问。 - **定义等待队列头**：`wait_queue_head_t my_queue;` - **初始化等待队列头**：`init_waitqueue_head(&my_queue);` - **定义并初始化等待队列头的快捷方式**：`DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)` #### 二、轮询操作（I/O复用） **2.1 轮询操作的基本原理** 轮询（Polling）是指程序不断地检查某个条件是否为真，通常用于非阻塞I/O环境中。这种方式的一个典型例子是在用户程序中不断查询设备的状态，直到设备准备好接收数据或提供数据。 **2.2 I/O复用** I/O复用允许单个线程同时监控多个文件描述符，当其中一个文件描述符准备就绪时，该线程就会得到通知。这主要通过`select()`、`poll()`和`epoll()`等系统调用来实现。这种方法可以大大提高系统的效率，特别是在处理大量并发连接的情况下。 - **select()**：这是一个早期的I/O多路复用函数，它可以监听多个文件描述符的可读性、可写性和异常情况。但是它的性能随着文件描述符数量的增加而下降。 - **poll()**：类似于`select()`，但是没有文件描述符的最大数量限制。 - **epoll()**：这是`select()`和`poll()`的改进版本，提供了更高的性能。它采用了事件驱动的方式，当某个文件描述符就绪时，内核会主动告知应用程序。 #### 三、三种I/O模型的比较 **3.1 模型概述** - **阻塞I/O**：当进程发起I/O请求后，如果I/O操作尚未完成，进程将被挂起，直到操作完成。 - **非阻塞I/O**：当进程发起I/O请求后，如果I/O操作尚未完成，进程不会被挂起，而是立即返回错误或特定值。 - **轮询（Polling）**：进程不断地查询设备的状态，直到设备准备好接收数据或提供数据。 **3.2 性能对比** - **阻塞I/O**的优点在于简单易用，但是当处理大量并发请求时，效率较低。 - **非阻塞I/O**提高了并发处理能力，但增加了编程复杂度。 - **轮询**虽然可以避免阻塞，但频繁地检查状态会导致不必要的CPU负载，尤其是在处理大量文件描述符的情况下。 **3.3 应用场景** - **阻塞I/O**适用于处理少量连接的应用程序。 - **非阻塞I/O**和**轮询**更适合处理大量并发连接的情况，尤其是在Web服务器等领域。 - **I/O复用**（如`epoll()`）则是现代高性能服务器的首选方案，因为它能够在高并发场景下保持良好的性能表现。不同的I/O模型有各自的适用场景和优缺点，在实际开发过程中需要根据具体需求选择最合适的模型。在设计设备驱动或应用程序时，理解这些模型的工作原理和特性对于构建高效稳定的系统至关重要。

阻塞I/O和非阻塞I/O是计算机领域中常用的两种输入/输出模型。在阻塞I/O模型中，当一个进程在进行输入/输出操作时，如果该操作无法立即完成，那么该进程就会被阻塞，直到I/O操作完成。而在非阻塞I/O模型中，如果I/O操作无法立即完成，那么进程会立即返回一个错误代码，而不会被阻塞。具体来说，阻塞I/O会导致程序一直等待I/O操作的完成，而非阻塞I/O则不会让程序一直等待，而是立即返回错误代码。在阻塞I/O模型中，程序需要等待I/O操作完成后才能执行其他任务；而在非阻塞I/O模型中，程序可以在I/O操作等待的同时继续执行其他任务。为了解决阻塞I/O模型中的等待问题，人们发明了多路复用技术。在多路复用模型中，一个进程可以同时监视多个I/O操作，一旦其中有一个I/O操作完成，进程就会立即处理它。

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