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IO技术详解

article 2024/12/28 18:44:20

IO监控项在监控中一直是很重要的存在，服务有IO，磁盘有IO，操作系统也有IO，IO到底是什么呢

IO

IO，即“输入/输出”（Input/Output），是指计算机系统或设备之间交换数据的过程。这个概念在计算机科学、电子学和网络通信中应用广泛。IO 主要涉及两种操作：
输入 (Input)：系统或设备接收的数据。例如，键盘输入的字符、网络接收的数据包，或磁盘读取的文件内容等。
输出 (Output)：系统或设备输出的数据。例如，屏幕上显示的文本、网络发送的数据包，或写入磁盘的文件内容等。
​
IO 操作的目的通常是为了完成数据在不同组件或设备之间的传输和存储。它们通常有不同的表现形式，比如：
文件 IO：对文件的读写操作。
网络 IO：在网络连接中发送和接收数据。
设备 IO：对硬件设备（如硬盘、键盘、显示器等）进行的读写操作。
涉及计算机核心与其他设备间数据迁移的过程，就是IO。如磁盘IO，就是从磁盘读取数据到内存，这算一次输入，对应的，将内存中的数据写入磁盘，就算输出。
IO 操作可能受到硬件的物理限制，因而通常是系统性能的瓶颈之一
​
操作系统将内存空间分为用户空间和内核空间，用户空间是用户访问的内存区域，内核空间是操作系统访问的区域
我们的应用程序是跑在用户空间的，不存在实质的IO过程，真正的IO是在操作系统进行的
应用程序IO分为2部分，一是IO执行，操作系统执行，一是IO调用，应用调用操作系统的IO，

同步异步IO

同步 IO：在此下，程序会等待 IO 操作完成后再继续执行。这种方式比较简单，但可能导致程序因为等待 IO 而浪费大量时间。

异步 IO：程序在发起 IO 请求后无需等待 IO 完成，可以继续执行其他任务。IO 完成后，系统会通知程序，或让程序在空闲时自行检查 IO 状态。这种方式提高了系统资源利用率和并发性能。

在传统的同步IO模型中，程序会被某个IO操作阻塞，直到该操作完成后才会继续执行。而异步IO模型的核心思想是“不要等待”，即发起一个IO操作后，程序不会等待结果，而是通过事件通知或回调函数在IO操作完成后被告知结果。这样，程序在处理多个IO任务时就不会因为等待而卡住。

异步IO的实现方式

  1. 回调函数：在发起异步IO时，传入一个回调函数，在操作完成后执行该回调函数。这种方式在JavaScript中尤为常见，例如Node.js的事件驱动模型。

  2. Future/Promise：Future和Promise是异步编程中的抽象，用于存储异步操作的结果。通过检查Promise的状态，可以判断异步操作是否完成并获取结果。这种模式在Python、Java等语言中也得到了广泛应用。

  3. 事件循环（Event Loop）：事件循环是实现异步IO的常用机制，程序运行在一个单线程上，由事件循环负责监控事件队列中的任务，依次处理完成的任务。例如，Node.js通过事件循环处理异步操作。

异步IO的优缺点

优点

  • 高效的资源利用：异步IO使程序不必等待IO操作的完成，从而充分利用CPU资源。

  • 高并发支持：适合处理大量并发请求，尤其在网络服务器、数据库等I/O密集型应用中。

缺点

  • 代码复杂度增加：引入了回调函数、事件循环等机制，程序逻辑会较同步模型复杂。

  • 调试难度增加：错误追踪和调试相对困难，尤其是在多层嵌套回调的情况下。

异步IO的应用场景

  • Web服务器：如Node.js，专为高并发和网络请求设计，擅长处理大量并发连接。

  • 数据库操作：异步IO可以减少数据库连接等待时间，提高查询性能。

  • 文件读写：尤其在文件传输、大规模文件处理场景中，通过异步处理文件读写，提升整体效率。

在Python中，可以使用asyncio库实现异步IO

import asyncio
​
async def fetch_data():
    print("Start fetching")
    await asyncio.sleep(2)  # 模拟IO操作
    print("Data fetched")
    return "data"
​
async def main():
    result = await fetch_data()
    print(result)
​
# 执行异步任务
asyncio.run(main())
​

fetch_data()是一个异步任务，通过await关键字实现非阻塞的IO操作

阻塞非阻塞IO

阻塞IO

在阻塞 IO 模式中，程序在发起 IO 操作后会被“阻塞”，即停止执行其他操作，直到 IO 操作完成。只有当数据完全读取或写入时，程序才会继续执行后续代码。内核数据没有准备好，用户进程则会一直等待，影响性能

特点

  • 简单易实现，常用于同步编程。

  • 程序会一直等待 IO 操作完成，导致 CPU 资源的利用率较低，可能造成性能瓶颈。

  • 适合对延迟要求不高的应用程序，或 IO 操作时间较短的场景。

# 阻塞 IO 示例
import socket
​
sock = socket.socket()
sock.connect(('example.com', 80))
sock.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n\r\n')
​
response = sock.recv(4096)  # 阻塞，等待接收数据
print(response)
sock.close()

非阻塞IO

在非阻塞 IO 模式中，程序发起 IO 操作后，不会等待 IO 操作完成，而是立即返回。程序可以继续执行其他任务，随时检查 IO 状态或等待系统通知 IO 操作的完成。

特点

  • 更高效，适合并发处理和多任务的场景。

  • 常与轮询（不断检查 IO 状态）或事件通知机制结合使用，比如 select()、poll()、epoll() 等。

  • 实现稍复杂，但能有效避免因等待 IO 而浪费 CPU 资源。

# 非阻塞 IO 示例
import socket
​
sock = socket.socket()
sock.setblocking(False)  # 设置为非阻塞模式
​
try:
    sock.connect(('example.com', 80))  # 发起连接
except BlockingIOError:
    # 非阻塞模式下立即返回，跳过阻塞状态
    pass
​
# 继续做其他事情
# 稍后再检查连接是否成功或有数据返回

IO多路复用

但是无效的轮询也会加大内存的开销

IO 多路复用是一种高效的 IO 模型，允许一个线程同时监视多个 IO 操作。它的核心思想是让操作系统帮助检测哪些 IO 资源已经准备好进行读写，而不是让每个 IO 操作都单独等待。这样可以有效地提高系统资源利用率，尤其适合处理大量并发连接的场景，如网络服务器。

在 IO 多路复用中，常用的系统调用包括 select、poll 和 epoll：

常用的 IO 多路复用方法

  1. select

    • select 是最早实现 IO 多路复用的系统调用，通过一个文件描述符集合来监控多个 IO 通道。

    • 它的调用会阻塞进程，直到一个或多个文件描述符变为就绪（可读、可写或有异常发生），然后程序可以对就绪的文件描述符执行 IO 操作。

    • 缺点在于文件描述符集合的大小有限，且需要遍历所有的文件描述符，性能较低。

  2. poll

    • poll 是 select 的改进版，没有文件描述符数量限制，解决了 select 的一些不足。

    • poll 通过一个数组而非集合来管理文件描述符，但仍然需要轮询所有文件描述符，且每次调用都需要重新构建文件描述符数组。

    • 随着文件描述符数量增加，poll 的性能会下降。

  3. epoll

    • epoll 是 Linux 下的高效 IO 多路复用方式，针对 select 和 poll 的性能问题进行了优化。

    • epoll 的文件描述符不需要重复传递，且支持“边缘触发（edge-triggered）”和“水平触发（level-triggered）”两种模式，能够更高效地检测文件描述符的状态变化。

    • 它适合处理大量并发连接，被广泛用于高并发服务器（如 Nginx、Redis）中。

IO 多路复用的工作流程

  1. 程序创建并注册多个 IO 事件（文件描述符），告诉操作系统哪些事件需要监控。

  2. 操作系统负责检测文件描述符的状态变化，直到某些 IO 事件就绪，然后通知程序。

  3. 程序收到通知后，仅对就绪的 IO 事件执行读写操作，避免了阻塞等待，从而实现高效处理。

IO 多路复用的优势

  • 高效性：程序无需轮询所有 IO 操作，而是让操作系统通知哪些 IO 就绪，避免了不必要的 CPU 消耗。

  • 支持并发：一个线程可监控多个 IO 操作，适合高并发应用场景，避免了线程或进程创建的资源开销。

  • 提高资源利用率：通过集中管理 IO 操作，可以大幅减少阻塞时间，让程序高效利用 CPU。

import select
import socket
​
# 创建两个监听 socket
sock1 = socket.socket()
sock1.bind(('0.0.0.0', 8000))
sock1.listen()
​
sock2 = socket.socket()
sock2.bind(('0.0.0.0', 8001))
sock2.listen()
​
# 把 socket 放入 select 监控列表
inputs = [sock1, sock2]
outputs = []
​
while True:
    # 调用 select，监控 inputs 列表中的 socket 是否有数据就绪
    readable, writable, exceptional = select.select(inputs, outputs, inputs)
​
    for s in readable:
        if s is sock1 or s is sock2:
            # 有新的连接请求
            conn, addr = s.accept()
            print(f"Connection from {addr}")
            inputs.append(conn)
        else:
            # 处理现有连接的数据
            data = s.recv(1024)
            if data:
                print("Received:", data.decode())
                s.send(b"Echo: " + data)
            else:
                # 连接关闭
                print("Closing connection")
                inputs.remove(s)
                s.close()

在这个例子中，select.select() 会阻塞进程，直到有 IO 事件发生。通过这种方式，可以用一个线程或进程处理多个客户端连接，从而有效利用资源。

IO模型

阻塞IO同步阻塞
非阻塞IO同步非阻塞
IO多路复用同步阻塞
异步IO异步非阻塞

http://www.kler.cn/a/392826.html

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